-集成电路设计概述

1、第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展 芯片，现代社会的基石芯片，现代社会的基石 PDA：掌上电脑 内存条 手机计算机主板 数码相机集成电路集成电路 Integrated Circuit ，缩写IC IC IC是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，源器件，按照一定的电路互连，“集成集成”在一在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系

2、统功能的一种器个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。件。 集成电路芯片显微照片集成电路芯片键合各种封装好的集成电路各种封装好的集成电路晶体管的发明晶体管的发明 1946年年1月，月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：实验室正式成立半导体研究小组：W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面态理论，提出了表面态理论， Schokley给出了实现给出了实现放大器的基本设想，放大器的基本设想，Brattain设计了实验；设计了实验； 1947年年12月月23日，第一次观测到了具有放大作用的日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；晶体管

3、； 1947年年12月月23日第一个点接触式日第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者：发明者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain集成电路的发明集成电路的发明 1952年年5月，英国科学家月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次第一次提出了集成电路的设想。提出了集成电路的设想。 1958年以德克萨斯仪器公司（年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比）的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于块集成电路，并于1959年公布了该结果。年公布了该结果。锗衬底上形成台面双极

4、晶体管和电阻，总共锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器个器件，用超声焊接引线将器件连起来。件，用超声焊接引线将器件连起来。集成电路的发明集成电路的发明 平面工艺的发明平面工艺的发明1959年年7月，月， 美国美国Fairchild 公司的公司的Noyce发明第一发明第一块单片集成电路：块单片集成电路：利用二氧化硅膜制成平面晶体管，利用二氧化硅膜制成平面晶体管，用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电连接导电膜作为元器件间的电连接(布线布线)。这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路这是单片集成电路的雏形，是与现

5、在的硅集成电路直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。第一块单片集成电路第一块单片集成电路集成电路中几个重要的参数集成电路中几个重要的参数 特征尺寸：特征尺寸： 集成电路器件中最细线条的宽度，对集成电路器件中最细线条的宽度，对MOSMOS器件常指器件常指栅极所决定的沟导几何长度，是一条工艺线中能加栅极所决定的沟导几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。反映了集成电路版图图形的精细程工的最小尺寸。反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的

6、改进（度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。 硅园片直径：硅园片直径： 考虑到集成电路的流片成品率和生产成本，每个考虑到集成电路的流片成品率和生产成本，每个硅园片上的管芯数保持在硅园片上的管芯数保持在300300个左右。个左右。 现代集成电路发展的特点：现代集成电路发展的特点：特征尺寸越来越小（特征尺寸越来越小（45nm45nm）硅圆片尺寸越来越大（硅圆片尺寸越来越大（8inch12inch8inch12inch）芯片集成度越来越大（芯片集成度越来越大（2000K2000K）时钟速度越来越高（时钟速度越来越高（ 500M

7、Hz500MHz）电源电压电源电压/ /单位功耗越来越低（单位功耗越来越低（1.0V1.0V）布线层数布线层数/I/0/I/0引脚越来越多（引脚越来越多（9 9层层/1200/1200）集成电路的发展集成电路的发展 年份年份19891989年年19931993年年19971997年年20012001年年特征尺特征尺寸寸1.01.0m m0.60.6m m0.350.35m m0.180.18m m水平标水平标志志微米（微米（M M）亚微米（亚微米（SMSM）深亚微米深亚微米（DSMDSM）超深亚微米（超深亚微米（VDSMVDSM）表表1 CMOS1 CMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展

8、进程 集成电路的发展集成电路的发展 小规模集成（小规模集成（SSI）中规模集成（中规模集成（MSI）大规大规模集成（模集成（LSI）超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI)特大特大规模集成电路规模集成电路(ULSI)GSI SoC 。ICIC在各个发展阶段的主要特征数据在各个发展阶段的主要特征数据 发展阶段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度(nm)120-10010

9、0-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积(mm2)150摩尔定律（摩尔定律（Moores Law） Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three yearsTrue for at least 30 years! (Intel公司前董事长公司前董事长Gordon Moore首次于首次于1965提出提出) 后人对摩尔定律加以扩展：后人对摩尔定律加以扩展：集成电路的发展每三年集成电路的发展每三年 工艺升级一代；工艺升级一代； 集成度翻二番；集成度翻二番； 特征线宽约缩小

10、特征线宽约缩小30左右；左右； 逻辑电路（以逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约为代表）的工作频率提高约30。Intel公司公司CPU发展发展Intel公司公司CPU发展发展 Year of introductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,0003861985275,000486DX 19891,180,000Pentium 19933,100,000Pentium II 19977,500,000Pentium III 199924,000,000Pentium

11、 4 200042,000,000vIntel 公司第一代CPU4004电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHzvIntel 公司CPU386TM电路规模：电路规模：275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.5um最快速度：最快速度：33MHzvIntel 公司最新一代CPUPentium 4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz摩尔定律还能维持多久？摩尔定律还能维持多久？ 经过经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的多年，集成电路产

12、业的发展证实了摩尔定律的正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？ 集成电路的特征尺寸：集成电路的特征尺寸： 130nm90nm60nm45nm30nm?量子效应量子效应 集成电路光刻集成电路光刻费用急剧增加费用急剧增加数十万甚至上数十万甚至上百万美元！百万美元！1.2 1.2 集成电路的分类集成电路的分类1 1、双极集成电路双极集成电路通常由通常由NPNNPN和和PNPPNP两种类型的双极性性晶体管组成，两种类型的双极性性晶体管组成，优点：速度快，驱动能力强优点：速度快，驱动能力强缺点：功耗较大，集成度低缺点：功耗较大，集成度低2 2、金属、金属

13、- -氧化物氧化物- -半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：集成电路： 主要由主要由MOSMOS晶体管构成晶体管构成 ，包含，包含NMOSNMOS和和PMOSPMOS中的一种或两种类型中的一种或两种类型优点：输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强且适合大规模集成优点：输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强且适合大规模集成CMOSCMOS：包含互补的：包含互补的NMOSNMOS和和PMOSPMOS两类器件，静态功耗几乎为零，输出逻两类器件，静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为高低电源电压、上升和下降时间处于同数量级（广辑电平可为高低电源电压、上升和下降时间处于同数量级（广泛应用，成为当前集成电路的主流之

14、一）泛应用，成为当前集成电路的主流之一）3 3、双双极极- -MOS(BiMOSMOS(BiMOS) )集成电路：集成电路： 是同时包括双极和是同时包括双极和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极晶体管的集成电路。综合了双极和和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。器件两者的优点，但制作工艺复杂。 管芯中大部分采用管芯中大部分采用CMOSCMOS，外围接口采用双极型，外围接口采用双极型BipolarBipolar，做到功耗低、密度大，电路，做到功耗低、密度大，电路输出驱动电流大输出驱动电流大 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类类 别别

15、数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路MOS ICMOS IC双极双极ICICSSISSI10102 21001003020002000300300ULSIULSI10107 710109 9GSIGSI10109 9按晶体管数目划分的集成电路规模 二、二、按集成度分类按集成度分类 单片集成电路单片集成电路 是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等。 混合集成电路混合集成电路 厚膜集成电路用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术将组成电路的电子元器件以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路薄膜

16、集成电路用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术三、按使用的基片材料分类三、按使用的基片材料分类混合集成电路：从半导体集成电路、厚膜集成电路、薄膜集成电路、分立元器件中任取两种或两种以上电路封装在一个模块中完成一定的电路功能 数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(Analog IC)： 是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大

17、器、电压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) (Digital - Analog IC) ： 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。四、按电路的功能分类四、按电路的功能分类v 标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。74 74 系列，40004000系列, Memory, Memory芯片，CPU CPU 芯片等v 专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而

18、专门设计的集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。玩具狗芯片； 通信卫星芯片；计算机工作站CPUCPU中存储器与微处理器间的接口芯片五、按应用领域分类五、按应用领域分类第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.3 无生产线集成电路设计技术无生产线集成电路设计技术Fabless IC Design TechniqueIDM与与Fabless集成电路实现集成电路实现 集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造制造 (ID

19、M，Integrated Device Manufacture)的集的集成电路实现模式。成电路实现模式。 近十年以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立近十年以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立运行，这为发展无生产线（运行，这为发展无生产线（Fabless）集成电路设）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。条件。1.3 无生产线集成电路设计技术LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位Relation of F&F(无生产线与代工的关系无生产线与代工的关系)国内主

20、要国内主要Foundry(代客户加工代客户加工)厂家厂家1.4 代工工艺国内新建国内新建Foundry(代客户加工代客户加工)厂家厂家 上海上海中芯国际：中芯国际：8 8”,0.25,0.25 m, 2001.10m, 2001.10宏宏 力：力：8 8”,0.25,0.25 m, 2002.10m, 2002.10华虹华虹 -II-II：8 8”,0.25,0.25 m, m, 筹建筹建 台积电台积电TSMCTSMC在松江建厂在松江建厂 北京北京首钢首钢NECNEC筹建筹建8 8”,0.25,0.25 m m 天津天津MotoloraMotolora, , 8 8”,0.25,0.25 m

21、m 联华联华UMCUMC在苏州建厂在苏州建厂境外可用境外可用Foundry工艺厂家工艺厂家Peregrine(SOI/SOS)Vitesse(GaAs/InP)IBM/Jazz(SiGe)OMMIC(GaAs)Win(稳懋稳懋)(GaAs)Agilent(CMOS)AMS(CMOS/BiCMOS)UMC(联华联华)(CMOS/BiCMOS)OrbitSTM(CMOS/BiCMOS)Dongbu(东部东部)Chartered(特许特许)(CMOS/BiCMOS)TSMC(台积电台积电)(CMOS/BiCMOS)美国美国欧洲欧洲韩国韩国新加坡新加坡台湾台湾芯片工程与多项目晶圆计划芯片工程与多项目晶

22、圆计划Many ICs for different projects are laid on one macro-IC and fabricated on wafersThe costs of masks and fabrication is divided by all users. Thus, the cost paid by a single project is low enough especially for R&DThe risk of the ICs R&D becomes low Single ICMacro-IC MPW (layout) (layout/m

23、asks)(wafermacro-chip single chip)Chip1Chip1Chip6Chip2Chip5Chip4Chip3$30 000$30 000100M(100M),),当加上编程电压时，则建立低电阻(500(500) )，处于永久的导通状态，因而是一次性编程的2.U/EPROM编程器件，即紫外线擦除编程器件，即紫外线擦除/电可编程器件电可编程器件，大多数，大多数FPGA和和CPLD用这种编程方式，用这种编程方式，3.E2PROM编程器件，即电擦写编程器件。编程器件，即电擦写编程器件。GAL器器件用这种编程方式件用这种编程方式4.SRAM编程器件。编程器件。Xilinx公

24、司的公司的FPGA是这类器件的是这类器件的代表代表输入电路输入电路 与与 阵列阵列 或或 阵列阵列输出电路输出电路.与阵列和或阵列是PLD器件的主体，逻辑函数靠它们实现与或阵列在PLD器件中只能实现组合逻辑电路的功能，PLD器件的时序电路功能则由包含触发器或寄存器的逻辑宏单元实现，宏单元也是PLD器件中的一个重要的基本结构。宏单元的作用：（1）提供时序电路需要的寄存器或触发器（2）提供多种形式的输入/输出方式 （3）提供内部信号反馈，控制输出逻辑极性（4）分配控制信号，如寄存器的时钟和复位信号，三态门的输出使能信号A B C&YY=AC(a)ACB1Y(b)Y=A+C1Y(c)Y1=A

25、Y2=AAY1Y2可编程逻辑器件设计方法方法概念：概念： 用户通过生产商提供的通用器件，自行进行现场编程和制造，或者通过对“与”、“或”矩阵进行掩膜编程，构造所需的专用集成电路器件名器件名“与与”矩阵矩阵“或或”矩阵矩阵输出电路输出电路PROMPROM固定固定可编程可编程固定固定PLAPLA可编程可编程可编程可编程固定固定PALPAL可编程可编程固定固定固定固定GALGAL可编程可编程固定固定可由用户组态可由用户组态四种简单PLD器件的比较 A211A11A0&1 1D2D11 1D01 1 或或 阵列阵列 与与 阵列阵列WOW1W2W3W4W5W6W7固定固定“与与”阵列阵列可编程可

26、编程“或或”阵列阵列固定固定“与与”阵列阵列DCBAA11B1C1DY0Y1Y2m2m3m6m7m10m12m13m14可编程可编程“或或”阵列阵列1312mm CAY 0CBAY 1DCBDCBADCBAY276320)()()(mmmmDCBACDBADBCABCDADDCBADDBCABBCAY13121)(mmDCBADCBADDCABY1410762)(mmmmDBCADABCBCDADCBAAADBCBCDADCBAY固定固定“与与”阵列阵列DCBAA11B1C1DY0Y1Y2m2m3m6m7m10m12m13m14可编程可编程“或或”阵列阵列1312mm 1A21A11A0&am

27、p;1D2D11D01可编程可编程“或或”阵列阵列可编程可编程“与与”阵列阵列CAY 0CBAY 1DCBDCBADCBAY2CAY 0CBAY 1BCADACDBCADABCBCDADCBAAADBCBCDADCBAY)(21A1B1C1DY0Y1Y2可编程可编程“与与”阵列阵列与与PROM阵阵列的编程相列的编程相比比PLA的编的编程简捷得多程简捷得多可编程可编程“与与”阵列阵列 可编程输入可编程输入/输出模块（输出模块（IOB，I/O block） 可编程逻辑模块（可编程逻辑模块（CLB configurable Logic block） 可编程的互连资源（可编程的互连资源（IR， int

28、erconnect Resource） 用于存放编程数据的静态存储器用于存放编程数据的静态存储器基于可编程逻辑器件的设计步骤基于可编程逻辑器件的设计步骤设计输入功能仿真编程设计实现时序仿真器件测试设计输入是设计者将所设计的系统或电路以编程软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机的过程。输入对象：原理图、硬件描述语言和波形图。从设计输入完成以后到编程文件产生的整个编译、适配过程称为设计处理或设计实现编程是将编程数据放到具体的PLD中去，对于陈列型PLD来说，是将JED文件“下载”到PLD中去 随着IC集成度的不断提高，IC规模越来越大、复杂度越来越高，采用CADCAD辅助设计辅助设计是必然趋势

29、。第一代IC设计CAD工具出现于20世纪60年代末70年代初，但只能用于芯片的版图设计及版图设计规则的检查。第二代CAD系统随着工作站(Workstation)的推出，出现于80年代。其不仅具有图形处理能力，而且还具有原理图输入和模拟能力 。如今CAD工具已进入了第三代，称之为EDAEDA系统系统。其主要标志是系统级设计工具的推出和逻辑设计工具的广泛应用。 工作站平台上的主流工作站平台上的主流EDA软件软件Cadence EDA软件软件数字系统模拟工具数字系统模拟工具Verilog-XL；电路图设计工具电路图设计工具Composer；电路模拟工具电路模拟工具Analog Artist；射频模拟

30、工具射频模拟工具Spectre RF；版图编辑器版图编辑器Virtuoso Layout；布局布线工具布局布线工具Preview；版图验证工具版图验证工具Dracula等等 Synopsys EDA软件软件以它的综合工具而称著。以它的综合工具而称著。综合平台综合平台 DC Ultra布局布线系统布局布线系统 Apollo-II三维全芯片参数提取三维全芯片参数提取 Star-RCXT层次化物理验证层次化物理验证 Hercules门级静态时序分析门级静态时序分析 PrimeTime高质量的高质量的IP库库 DesignWare Library自动测试向量生成自动测试向量生成 TetraMAX ATPG。Mentor graphics EDA软件软件具有具有ED