数字电路设计课件-第1讲-简介

数字集成电路设计第一讲简介教师姓名：韩茹联系电话：88431556E－Mail：hanru@教材《数字集成电路－电路、系统与设计》第二版，JanM.Rabaey,AnanthaChandraksan,BorivojeNikolic著；周润德等译；电子工业出版社基于ppt的听课方法不正确只听不记，过目即忘狂记，还是来不及自我总结，只言片语正确预读教材或参考书边听边注课后复习，整理成文个人笔记，终身受用IC的概念集成电路IC：IntegratedCircuit什么是IC？IC的概念

按集成度分IC的概念IC按制造工艺分类IC的概念IC按实现方法分类晶体管的发明

第一只晶体管

Bell实验室

1948年第一台自动计算机1832年Babbage的DifferenceEngineI25,000个机械部件总成本：17,470英镑第一台电子计算机－ENIAC1946年近30吨每秒5000次运算第一块集成电路Bipolarlogic1960’sECL3-inputGateMotorola1966Intel的4004微处理器19711000transistors1MHzoperationIntel的PentiunIV微处理器Moore定律1965年,GordonMoore指出：每18至24个月，单芯片上集成的晶体管数目翻一番.他预言半导体加工工艺的效率每18个月翻一番Moore定律Electronics,April19,1965.存储器复杂度的演变晶体管数目的趋势1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium®Pentium®ProK1BillionTransistorsSource:IntelProjectedPentium®IIPentium®III微处理器中的Moore定律40048008808080858086286386486Pentium®procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors(MT)2Xgrowthin1.96years!TransistorsonLeadMicroprocessorsdoubleevery2years芯片大小的变化40048008808080858086286386486Pentium®procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)~7%growthperyear~2Xgrowthin10yearsDiesizegrowsby14%tosatisfyMoore’sLawCourtesy,Intel工作频率P6Pentium®proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)LeadMicroprocessorsfrequencydoublesevery2yearsDoublesevery

2yearsCourtesy,Intel功耗P6Pentium®proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)LeadMicroprocessorspowercontinuestoincreaseCourtesy,Intel功耗将成为一个主要问题5KW18KW1.5KW500W40048008808080858086286386486Pentium®proc0.111010010001000010000019711974197819851992200020042008YearPower(Watts)PowerdeliveryanddissipationwillbeprohibitiveCourtesy,Intel功率密度40048008808080858086286386486Pentium®procP611010010001000019701980199020002010YearPowerDensity(W/cm2)HotPlateNuclearReactorRocketNozzlePowerdensitytoohightokeepjunctionsatlowtemp数字集成电路不只用于微处理器DigitalCellularMarket(PhonesShipped)19961997199819992000Units

48M86M162M260M435MAnalogBasebandDigitalBaseband(DSP+MCU)PowerManagementSmallSignalRFPowerRF(datafromTexasInstruments)Cell

Phone

今天的IC

晶体管数目

2003年一年内制造出的晶体管数目达到1018个，相当于地球上所有蚂蚁数量的100倍！

今天的IC

芯片制造水平

2003年制造芯片的尺寸控制精度已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！

今天的IC晶体管的工作速度

1个晶体管每秒钟的开关速度已超过1.5万亿次。如果你要用手开关电灯达到这样多的次数，需要2万5千年的时间！今天的IC半导体业的发展速度1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞7个小时。如果航空业的发展速度和半导体业一样的话，那么今天只需花费1个便士，不到1秒钟即可到达！今天的IC

晶体管的成本

目前制造1个晶体管的成本大约与在1张报纸上印制1个字母的成本相当！

现代IC设计特点IC设计要求

设计正确性：IC投片费用高，难以修改，应确保一次成功 设计时间：决定了设计费用和市场竞争力。 设计成本：芯片面积↓，小批量→开发费用↓，大批量→成品率↑ 产品性能:速度、功耗、面积 可测性和可靠性WhyScaling?新一代工艺尺寸缩小为上一代的0.7新一代工艺下，单片可集成的功能为上一代的两倍；且芯片成本没有显著增加。每种功能的成本降1倍。但是…如何设计功能越来越强大的芯片?设计工程师的数量也不可能每年增加1倍…因此，需要一种更高效的设计方法开发不同的抽象层次设计抽象层次n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEMTop－Down设计流程

现代IC设计特点IC设计要素人：需同时具备系统与微电子知识工具：微机→工作站，CAD软件→EDA软件库：工艺库，IP库

现代IC设计特点对人才的要求

雄厚的理论基础：物理，电路，数学娴熟的实践能力：设计语言（HDL、C、Matlab），EDA软件，FPGA/DSP验证宽广的系统知识：计算机，通信，信号处理迅捷的自学能力：Moore定律，集成度每三年上升四倍，40年有效本课程

的内容集中在门级和晶体管级结构和工艺之间的连接1.必须有人来设计和实现模块库（标准单元库）

2.建立一个单元或模块的合适模型要求对它的内部操作有深刻的理解。

3.以库为基础的设计方法在有些情况下不太适用。

4.以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确的。（互连影响）

5.工艺尺寸的缩小会使以抽象为基础的模型的其它一些缺陷更为明显。（时钟线和电源线）

6.工艺水平提高的另一个影响是新的设计问题和约束条件会不断的出现（例如：功耗，器件和互连寄生参数之间的比例变化等）时钟对系统设计的挑战电源分布网络对系统设计的挑战设计的测度指标如何评价数字电路性能的指标(门,模块,…)?成本（Cost）可靠性可扩展性速度(延迟,运行频率)功耗（Powerdissipation）执行某种功能所消耗的能量（Energytoperformafunction）集成电路的成本

固定成本（NRE(non-recurrentengineering)costs）设计费用,掩模板费用生产设备、市场和销售费用基础设施建设费用可变成本硅加工、封装和测试费用与产量成比例与芯片面积成比例DieCostSingledieWaferFromGoingupto12”(30cm)每晶体管的成本0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012cost:¢-per-transistorFabricationcapitalcostpertransistor(Moore’slaw)YieldDefectsaisapproximately3可靠性―

数字集成电路中的噪声i(t)InductivecouplingCapacitivecouplingPowerandgroundnoisev(t)VDDDC传输特性电压传输特性V(in)V(out)VOHVOLVM

VOHVOLfV(out)=V(in)SwitchingThresholdNominalVoltageLevelsVOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)电压与逻辑电平之间的关系VILVIHVinSlope=-1Slope=-1VOLVOHVout“0”VOLVILVIHVOHUndefinedRegion“1”噪声容限的定义NoisemarginhighNoisemarginlowVIHVILUndefined

Region"1""0"VOHVOLNMHNMLGateOutputGateInput抗噪声能力（I）噪声容限对于确定一个电路抑制噪声的能力是不够的；抗噪声能力描述了一个电路在噪声存在的情况下正确处理和传递信息的能力；许多数字电路，它们的噪声容限很小，确有很好的抗噪声能力，因为它们抑制噪声源而不是压制它；抗噪声能力取决于噪声的传播函数抗噪声能力（II）噪声源的两种类型：与信号摆幅Vsw成正比。对信号节点的影响使用g

Vsw来表示；固定噪声。对信号节点的影响等于fVNf，VNf是噪声源的幅值，f是从噪声到节点的传递函数抗噪声能力（III）假设噪声容限等于信号摆幅的一半，为了能正确工作，噪声容限必须大于耦合噪声值的和（系统工作所需要的最小信号摆幅）RegenerativeProperty再生性RegenerativeNon-Regenerative一个门的VTC应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区，该过渡区以两个合法区域为界，合法区域的增益应当小于1RegenerativeProperty

Achainofinvertersv0v1v2v3v4v5v6

SimulatedresponseFan-inandFan-outNFan-outNFan-inMM理想的数字门Ri=¥Ro=0Fanout=¥NMH=NML=VDD/2

g

=VinVoutAnOld-timeInverterNMLVin(V)Vout(V)NMHVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0延时定义一个信号的上升/下降时间很大程度上取决于驱动门的强度以及它所承受的负载环振T=2´tp´NAFirst-OrderRCNetworkvoutvinCRtp=ln(2)t=0.69RCImportantmodel–matchesdelayofinverter

功耗瞬时功耗:

p(t)=v(t)i(t)=