专用集成电路Chapter2_专用集成电路概念与设计流程

1、第二讲第二讲专用集成电路概念及设计流程ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院2/55专用集成电路(IC)概念 通用集成电路:市场上能买得到的 IC 专用集成电路 (ASIC)市场上买不到、需要自己设计实现的 ICASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院3/55半导体产业的主要产品分类半导体产业的主要产品分类分为四大类：分为四大类： 05-07年全球半导体产品销售比例年全球半导体产品销售比例200520062007集成电路集成电路( IC, 通用、专用通用、专用)84.884.585.4分立器件分立器件(Discrete)7.16.76.4光电器

2、件光电器件(Optoelectronic)6.1 6.66.3%传感器传感器 (Sensors)2.02.21.9集成电路、集成电路、 分立器件、分立器件、光电器件、光电器件、传感器传感器ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院4/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院5/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路

3、的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院6/55微处理器微处理器（MPU） 通用型通用型微处理器微处理器 PC机或工作站、服务器等的机或工作站、服务器等的CPU，具有具有 高垄断、高技术、高利

4、润、高风险高垄断、高技术、高利润、高风险 等特征。等特征。 嵌入式型嵌入式型微处理器微处理器 嵌入式嵌入式CPU的基础还是通用型的基础还是通用型CPU，本质上，本质上与通用与通用CPU的区别不大。的区别不大。 为迎合不同的应用，只保留与具体应用相关为迎合不同的应用，只保留与具体应用相关的功能，去除冗余的功能。的功能，去除冗余的功能。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院7/55通用型微处理器通用型微处理器高垄断：高垄断：整个行业的整个行业的PC市场基本被市场基本被Intel、AMD两家所控两家所控制，制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域等少数公司只能

5、分享工作站与服务器领域的一部分市场。的一部分市场。高技术：高技术：通用通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高，强烈追求功能的强大和频率的提高， 对对最先进的最先进的IC工艺需求十分迫切，高端工艺需求十分迫切，高端CPU已进入已进入45 nm工工艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延时问题，因而转向通过改变体系框架发展多核时问题，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到来达到目标。目标。高利润：高利润：以以Intel处理器为例，其产品享受着处理器为例，其产品享受着3040%的高的高额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有额利润，

6、而像戴尔这样的计算机公司，却只有5的利润。的利润。高风险：高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必然承受高风险这个代价。然承受高风险这个代价。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院8/55嵌入式嵌入式CPU 嵌入式嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电主要用于消费类家电、汽车电子、工业设备等，是一个应用高度分散，子、工业设备等，是一个应用高度分散，不断创新的产业。不断创新的产业。 与通用与通用CPU领域的领域的“独大独大”局面不同，嵌局面不同，嵌入式入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。呈现的是一个百家争鸣的形态。

7、与通用型与通用型CPU主要使用主要使用x86或或PowerPC两两类核心架构相比，嵌入式类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心常见的核心架构还包括架构还包括MIPS、ARM、SuperH等等。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院9/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器

8、（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院10/551.2 微控制器（微控制器（MCU） MCU是各种自动控制系统的核心， 是最早的SoC，它将CPU、RAM、ROM、定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯片上，形成系统级芯片。 对系统的显示器、键盘、传感器显示器、键盘、传感器等外围进行控制。 市场的产品生命周期很长（汽车中3到10年，家电中5年）。运用的软件及操作系统也不太会更换，这些都有别于MPU市场。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院11/5

9、5 4、8、16、32位元位元MCU市场出货量市场出货量数据来源：In-StatASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院12/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Cha

10、pter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院13/55数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 与微处理器分类一样，与微处理器分类一样，DSP也分为也分为通用通用DSP与与嵌入式嵌入式DSP两类两类。 通用通用DSP的主要市场在于通信应用。的主要市场在于通信应用。 嵌入式嵌入式DSP则应用广泛，包括则应用广泛，包括DVD播放机、播放机、机顶盒、音视频接收设备、机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数播放器、数码相机和汽车电子等。码相机和汽车电子等。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院14/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器

11、件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院15/55存储器（存储器（Memory） 最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品 是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非常高，波动幅度

12、极大。常高，波动幅度极大。 资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏不资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏不易控制易控制 市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力，市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力， 是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉重，但效益也是半导体产业中最高的。重，但效益也是半导体产业中最高的。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院16/55DRAM DRAM存储器起源于存储器起源于Intel公司，后日本、

13、韩国及公司，后日本、韩国及中国台湾纷纷以此为切入点进入中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄产业领域，迄今为止依然是这些国家和地区的主打产品。今为止依然是这些国家和地区的主打产品。 因为日本企业的逐渐强大，因为日本企业的逐渐强大，Intel在在1985年宣布退出存年宣布退出存储器领域，转而集中发展微处理器。储器领域，转而集中发展微处理器。 因为日本存储器产业的强大，使得因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全年日本位居全球半导体产业之首，独占世界市场球半导体产业之首，独占世界市场50以上，并维持以上，并维持 7年之久。年之久。 同样因为韩、台在同样因为韩、台在DRAM领域的相继

14、崛起，美国称霸领域的相继崛起，美国称霸微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位又逐渐下降，近年已仅占又逐渐下降，近年已仅占20。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院17/55DRAM现状现状美国美国 TI、Motorola已完全退出已完全退出DRAM存储器产业，存储器产业，IBM亦淡出，仅剩下全球市占率亦淡出，仅剩下全球市占率第四第四的美光的美光（Micron）独撑大局）独撑大局日本日本 东芝、富士通、日立等均退出东芝、富士通、日立等均退出DRAM市场，日立市场，日立与与NEC整合成立尔必达（整合成立尔必达（Elp

15、ida）公司，成为全）公司，成为全球球第五第五大大存储器厂商。存储器厂商。欧洲欧洲 仅剩下德国的英飞凌仅剩下德国的英飞凌(Infineon)，市场占有率，市场占有率2000年年 窜升至第四。窜升至第四。06年剥离其存储器事业部年剥离其存储器事业部门成立门成立Qimonda，为全球，为全球第三第三大大厂。厂。韩国韩国 DRAM位居全球位居全球首位首位。三星蝉联。三星蝉联冠军冠军。现代及。现代及LG合并而成的合并而成的Hynix，是全球，是全球DRAM第二第二大大厂。厂。台湾台湾 也有也有4家公司入围世界家公司入围世界10大大DRAM公司之列。公司之列。ASIC Chapter 2信息科学与技术学

16、院信息科学与技术学院18/55Flash(闪存闪存) 是一种非易失（非挥发）性存储器，用于是一种非易失（非挥发）性存储器，用于 数码相机数码相机 MP3 移动电话移动电话 移动多媒体等移动多媒体等 目前已采用目前已采用45纳米工艺制程，其基本存储单纳米工艺制程，其基本存储单元为叠栅型元为叠栅型CMOS结构。结构。 电路形式为电路形式为NAND 和和 NORASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院19/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制

17、器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院20/55逻辑电路逻辑电路 逻辑电路扮演着逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。中第一大门类的角色。 提供提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、定时和控制定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能操作以及系统运行所需要的其它功能 逻辑电路主要包括逻辑电路主要包括 通用逻辑电路（与非

18、、或非、倒相器、通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、DFF、MUX） 现场可编程逻辑器件（现场可编程逻辑器件（FPLD,CPLD） 数字双极电路数字双极电路逻辑电路逻辑电路 与与存储器存储器、微处理器微处理器 一同构成了三种一同构成了三种 基本的基本的数字电路数字电路类型。类型。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院21/55一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器

19、（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院22/55模拟电路模拟电路 模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自然模拟信号的集成电路产品。然模拟信号的集成电路产品。 常用模拟常用模拟 IC 电源系列（电源系列（AC/DC, DC/DC, LDO ） 运算放大器（运算放大器（OPA） 比较器（比较器（Comparator） 数据转换接口（数据转换接口（ADC, DAC） 功放（功放（PA） 模拟

20、滤波器（模拟滤波器（Filter） 模拟开关（模拟开关（Switch） 功率驱动功率驱动IC（Driver）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院23/55模拟电路产品特点模拟电路产品特点 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工具少、测试周期长。具少、测试周期长。 数字数字IC强调运算速度与成本，强调运算速度与成本，模拟模拟IC强调高信噪强调高信噪比、低失真、低功耗和稳定性。比、低失真、低功耗和稳定性。 主要的工艺有主要的工艺有CMOS，BiCMOS和和BCD工艺，在工艺，在高频领域还有高频领域还有SiGe和和GaAs工艺

21、。工艺。 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有持续获利的前景。持续获利的前景。 TI、ST、NXP、Infineon和和 ADI 一直占据着全球一直占据着全球五大供应商位置。五大供应商位置。ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院24/55二、专用集成电路及其发展趋势二、专用集成电路及其发展趋势 新电路的设计与实现 对已有电路或系统的集成改造 体积缩小 重量减轻 性能提高 成本降低 保密性增强 ASIC的进一步发展，以及IP核的复用技术，促成了SoC (System on a Chip) 的问世以及SiP (System

22、in a package) 概念的提出。 PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片数字电视显示器行扫描驱动芯片ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院26/55 333整体电路图整体电路图高压输出高压输出高低压转换高低压转换移位锁存移位锁存ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院27/55高压输出电路部分高压输出电路部分ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院28/55 高低压转换接口电路高低压转换接口电路ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院29/55 移位寄存器和锁存器移位寄存器和锁存器ASIC C

23、hapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院30/55整体版图整体版图ABCASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院31/55高压输出电路版图高压输出电路版图ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院32/55高低压转换接口部分的版图高低压转换接口部分的版图ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院33/55移位寄存器和锁存器版图移位寄存器和锁存器版图ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院34/55移位寄存器和锁存器的放大版图（移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）千倍）ASIC Chapte

24、r 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院35/55三、常用半导体制造工艺 IC制造工艺 数字IC电路（ CMOS工艺） 模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺） 数模混合信号IC电路（ CMOS、BiCMOS工艺） 功率IC电路（ BCD工艺，SOI工艺） ASIC制造常用工艺（um） 标准CMOS工艺 (0.5, 0.35, 0.18, 0.13, 65nm)ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院36/55四、ASIC设计流程 特殊器件的设计流程 (Device 工艺) 模拟电路设计流程 (Analog 工艺) 数字电路设计流程（Logic 工艺） 数/模

25、混合电路设计流程 (Mixed-signal 工艺)ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院37/55特殊器件的设计流程ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院38/55常用的TCAD软件工具 所属公司工艺仿真器件仿真特点SynopsysTsuprem4 Medici国内业界广泛使用ISE(瑞士)被Synopsys 公司收购DIOSMDRAW，器件生成DESSIS，器件仿真国外业界广泛使用SILVACOAthenaAtlas图形界面操作简单易学SentaurusSynopsysProcess Structure Editor Device 提供模

26、型参数数据库和小尺寸模型 ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院39/55 模拟模拟IC设计流程设计流程ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院40/55 公司CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft电路图仿真SpectreHspice版图绘制Virtuoso版图验证及参数提取DivaDraculaAssuraCalibreLaker模拟集成电路设计常用工具模拟集成电路设计常用工具ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院41/55前端设计前端设计 数字数字IC设计流程设计流程ASI

27、C Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院42/55后端设计后端设计ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院43/55数字集成电路数字集成电路设计常用工具设计常用工具 公司 CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft逻辑仿真NC-SimVCSModelsim逻辑综合Design- compiler布局布线SEEncounterAstroLaker时序验证Pearl可测性设计DFT-CompilerTetraMAXASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院44/55五、ASIC设计关注的主要数据

28、元件数元件数/芯片芯片 1000万晶体管/Die, 100门/Die 芯片面积芯片面积(mm2) 1-100mm2 硅片直径硅片直径(mm) 20mm ( 8英寸)/wafer 特征线宽特征线宽(m) 0.18m, 90nm /CD 工作电压工作电压(V) 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V 功耗功耗（mW） 16mW, 1.3mW, 6.5mW 速度（速度（MHz） 高速电路(数字), 时钟800 MHz 频率（频率（GHz） 射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz 速度功耗乘积速度功耗乘积(J) - 1pJ/单位量化电平ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学

29、与技术学院45/55关于性能 -速度功耗积 衡量超大规模IC产品设计水平的重要标志 在ASIC设计的每一步, 都有对产品速度、功耗进行决择、控制的能力(速度、功耗是一对矛盾) 在系统设计级：算法的确定非常重要在系统设计级：算法的确定非常重要, 并行算法速度快但并行算法速度快但功耗大；串行算法则反之。功耗大；串行算法则反之。 在逻辑设计级：是否采用诸如超前进位链之类的附加电在逻辑设计级：是否采用诸如超前进位链之类的附加电路，对芯片速度的影响也非常明显路，对芯片速度的影响也非常明显 在电路设计级在电路设计级 在器件设计级在器件设计级 在版图设计级在版图设计级 ASIC Chapter 2信息科学与

30、技术学院信息科学与技术学院46/55器件结构/电路形式对速度、功耗的影响 器件结构对速度、功耗的影响 双极型器件速度快, 但功耗大; MOS型器件功耗低, 但速度相对也低。 电路形式对速度、功耗的影响 同是双极型器件，ECL电路快于TTL电路（后者器件进入深饱和区而前者只达临界饱和点） 同是MOS型器件，CMOS电路功耗低于单纯NMOS或PMOS电路（后者有静态功耗而前者无静态功耗）ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院47/55六、ASIC成本 每个芯片(chip)的成本可用下式估算: 总成本 = 设计成本 + 光罩成本 + 制造成本 (暂不考虑封装测试成本) 其中

31、Ct为芯片开发总成本 Cd 为设计成本， Cm 为光罩成本 Cp 为每片wafer上电路的加工成本 V 为总产量 y 为成品率 n 为每一大圆片上的芯片数 (chip 数 / wafer)ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院48/55降低成本的方法1. 增大V： 当批量V做得很大时, 上式前二项可以忽略, 成本主要由生产加工费用决定。 2. 增大y: 缩小芯片面积,因为当硅片的材料质量一定时, 其上的晶格缺陷数也基本上是确定的。一个芯片上如果有一个缺陷, 那芯片功能就难以保证。芯片做得越小, 缺陷落在其上的可能性也就越小, 成品率就容易提高。 ASIC Chapter 2信息科学与技术学院信息科学与技术学院49/55降低成本的方法(cont.)3. 增大增大n:增大wafer尺寸( 2英寸 4英寸 5英寸 8英寸 12英寸) 这种方法需要