数字集成电路-从经典物理到智能设计 课件 1. 绪论

数字集成电路设计‌1Introduction什么是集成电路引线接触点芯片互连封装钝化层芯片贴合引脚集成电路是通过半导体工艺将电子元件集成在芯片上的微型电路技术芯片是集成电路的物理载体和具体实现形式芯片是信息时代的隐形心脏通信技术工业自动化物联网医疗电子人工智能消费电子汽车工业片芯Reviewofhistory数字IC设计与之前相比有何不同?未来会如何发展变化?(1832)25,000parts£17,470小数点

十进制+-×÷两个循环存储执行流水线操作复杂性

成本!TheFirstComputer剑桥大学与著名诗人拜伦的独生女阿达合作ENIAC-Thefirstelectroniccomputer18,000电子管70000电阻10000电容6000继电器大小：长24m宽6m高2.5m速度：5000/sec重量：30吨功率：140kW平均无故障运行时间：7min被美国国防部用来进行弹道计算ENIAC电子数字积分计算机的简称ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月15日世界上的第一台计算机诞生在宾西法尼亚大学（UniversityofPennsylvania）电子管计算机由于使用的电子管体积很大耗电量大易发热因而工作的时间不能太长晶体管的革命世界上第一个晶体管由威廉·肖克利约翰·巴丁和沃特·布拉顿于1947年12月16日在美国贝尔实验室发明三人因此共同获得1956年诺贝尔物理学奖‌‌

世界上第一块集成电路杰克·基尔比是集成电路的发明者也是集成电路广泛应用的推行者和见证者1958年他成功研制出世界上第一块集成电路2000年他被授予了诺贝尔物理学奖当时的美国总统比尔·克林顿您应当为这一成就感到自豪它为您赢得了声望并且您的劳动将使世世代代的人们提高生活品质他在笔记本上潦草地写下了一个头脑风暴如果公司用一块半导体材料制造整个电路会怎么样ECL(Emitter-CoupledLogic)射极耦合逻辑3-inputGateMotorola1966早期集成电路年份技术突破核心贡献者/公司意义1949结型场效应管理论肖克利贝尔实验室奠定FET器件理论基础1956首个RTL逻辑门RCA数字电路实用化起点1958锗基集成电路基尔比德州仪器集成电路时代开端1962TTL技术/Micrologic系列布依（TRW）/仙童半导体推动数字IC商业化与高性能化除了物理原理很多新工艺的发明也为集成电路的发展提供了条件

50年代美国人奥尔和肖克莱发明离子注入工艺56年美国人福勒发明扩散工艺60年卢克和克里斯坦森发明外延生长工艺70年斯皮勒和卡斯特兰尼发明光刻工艺使集成电路从点接触向平面工艺过渡早期集成电路新工艺的发明p-substraten+n+G（gate）S（source）D（drain）当价格不变时单个芯片上可容纳的元器件的数目约每隔18-24个月便会增加一倍性能也将提升一倍摩尔定律（Moore’slaw）在科技领域几乎无人不晓毫不夸张地说摩尔定义了一个时代摩尔定律1979年

16Bit2.9万晶体管

5到8MHz1.5µm1985年

32Bit27.5万晶体管

16到32MHz1µm8088Intel3861971年第一个微处理器2000多个晶体管10μmPMOS工艺1982年286微处理器13.4万个晶体管频率6MHz

8MHz

10MHz和12.5MHz4004技术演进1989年25到50MHz

1-0.8µm

32Bit120万晶体管Intel486Pentium1993年3月

32Bit310万晶体管

60到166MHz

0.8µm技术演进P6(奔腾Pro)1996年150to200MHz时钟频率196平方毫米550万晶体管(外部缓存)0.35微米4层金属3.3伏VDD>20瓦典型功率耗散功率387引脚技术演进1999年2月英特尔推出PentiumIII处理器整合950万个晶体管0.25μm工艺2002年1月推出的Pentium4处理器其整合5500万个晶体管采用0.13μm工艺2002年8月13日英特尔开始90nm制程的突破业内首次在生产中采用应变硅2005年顺利过渡到了65nm工艺为多核处理器奠定基础技术演进2007年英特尔推出45nm正式量产工艺45nm技术是全新的技术可以让摩尔定律至少再服役10年技术演进45/40纳米节点（2008年量产）‌首次应用‌高K介质+金属栅极‌22/20纳米节点（2012年商用）‌‌FinFET（鳍式场效应晶体管）‌取代平面结构7/5纳米节点（2018-2020年）‌首次大规模采用极紫外光刻机2纳米节点（2025年量产）‌GAAFET（全环绕栅极）‌支持AI超算需求技术演进PlanarFETFinFETGAAFETMBCFET历史上的集成电路路线图更多摩尔：微型化超越摩尔：多样化超越CMOS与人和环境互动系统级封装信息处理数字系统级芯片非数字高价值系统结合SoC和SiP模拟/射频无源元件高压电源传感器生物芯片复杂性的演进百科全书2小时CD音频30秒HDTV人类记忆人类DNA书页1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium®Pentium®ProK10亿晶体管预测Pentium®IIPentium®III来源Intel晶体管数芯片尺寸的增长40048008808080858086286386486Pentium®procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)每年增长~7%十年增长约~2X芯片尺寸增长14%以满足摩尔定律来源IntelP6Pentium®proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)领先处理器的频率两年翻一倍两年翻一倍频率来源IntelP6Pentium®proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)领先处理器的功耗增加功耗来源Intel工艺尺寸减小→芯片功能增加两倍→芯片成本无显著增加→单个功能的成本降低一半但是……如何设计芯片实现更多的功能?工程师的人数不会每年增加一倍……→更有效的方法对不同层级抽象化为何缩放？n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM器件电路门模块系统设计的抽象层次单元库整数和浮点单元的很大一部分采用了一种特定的以单元为基础的标准单元方法来设计IntelPentium(IV)microprocessor芯片的起点——沙子🌟‌沙子里藏着硅

硅是做芯片的原料放大300倍水晶微观结构天然水晶🌟‌第二步

提纯去掉杂质得到高纯硅单晶棒‌沙子第三步制作晶圆✨‌第四步

光刻——图案化沙子成为芯片1000步芯片的应用之一——机器人机器人可以避免人类接触核辐射

毒气

爆炸物等致命威胁机器人在安全性方面的用处太空深水火灾核辐射美国准备用机器人组建军队了美国要生产机器人士兵替代人类军队它们不用吃饭

不怕死

动作还敏捷

而且几乎能无穷无尽的生产现代战争中的机器人无人机为人服务的机器人海豹机器人小海豹陪伴孤独的人机器人的效率与精度‌工业焊接误差控制在毫米级

手术操作精度达微米级‌🏭‌工厂里‌机器人可以搬很重的东西‌医院里‌有机器人医生能做超级精细的手术集成电路产业链演变

IP核及设计服务Materials材料ICDeign设计ICFab芯片制造Packaging封测上游环节中游环节下游环节Equipment设备FrontEnd前段设备BackEnd后段设备IntegratedCircuits集成电路Sensors传感器Optoelectronics光电子集成电路产业链

IC测试设计工具软件开发用户需求应用市场早期的IC产业以全能型企业为主称为IDM

集整机产品和IC设计制造封装和测试等生产全过程于一身最早开始投资IC产业的IDM多为美国电子企业德州仪器仙童Motorola

IBM等这些公司投资IC产业主要为自身整机产品服务

提升产品质量降低成本争夺市场411.早期的集成电路产业结构2.材料设备业分离后的集成电路产业产品形态明晰的设备业材料业最先从这些全能企业中分离出来整个产业系统分为集成电路业半导体设备业和半导体材料业三个子产业材料设备业开发技术难度大

属基础科学开发费用高因此进入门槛高半导体设备制造业被AMAT（应材）和ASML（艾司摩尔）光刻机等欧美企业垄断硅纳米电子学材料早期所需材料种类相比于目前很少二十世纪70年代封装测试业逐渐从整个产业中分离出来封装测试技术已物化到了设备技术和原材料技术之中剩下的生产工序转化为劳动力密集型工作发达国家将封装测试转移到本土以外的其他地区443.封装、测试业分离后的集成电路产业八十年代计算机辅助工程技术CAE发展IC设计技术开始部分物化到设计工具中随着EDA工具的发展库的概念工艺模型参数及其仿真概念的引入IC设计开始进入抽象化阶段使设计过程可以独立于生产工艺而存在随着PC机的广泛应用IC产业已进入以客户为导向的阶段IC产业从标准产品竞争时代进入到用户定制产品的时代专门从事IC设计的公司开始大量出现4.设计业分离后的集成电路产业制造工艺水平的不断提高对生产线的投入越来越大多数IDM无力承担如此之高的费用于是只专注于芯片制造的代工企业出现了1987年全球第一家集成电路制造专业代工服务公司——台积电（TSMC）成立无生产线的IC设计公司与IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成为IC产业发展的重要模式5.加工业分离后的集成电路产业IDM公司从综合型IDM公司中剥离出来专门从事半导体产业的设计制造封装和测试不从事整机业务专业型IDM公司具有更高的运作效率6.加工业分离后的集成电路产业集成电路设计优化Speed速度Powerdissipation能耗Cost成本reliability可靠性性能Performance功耗Power面积Area简称PPA三大核心优化目标1.性能（Performance）性能是衡量芯片计算能力的核心指标主要包括时钟频率和延迟频率提升会显著增加功耗和发热量需结合散热能力与系统需求综合设计延迟指信号从输入端传输到输出端所需的时间延迟过长会导致计算卡顿尤其在实时性要求高的场景（如自驾的决策芯片）中可能引发严重后果VOUTVINVMVIHVILVOHVOLVOUTVIN=dVOUT=-1dVINdVOUT=-1dVIN逻辑状态LOW0HIGH1不定态X反相器电压传输特性一切数字逻辑的源头皆可追溯至晶体管的开关行为反相器作为最基本的逻辑单元其电压传输特性VoltageTransferCharacteristicVTC决定了噪声容限而瞬态响应直接影响系统时钟频率VDDPMOSInOutNMOS内部噪声：与信号幅度成比例→主要来源外部噪声：与信号和电源无关工艺导致的尺寸、参数差异=》影响电路电特性芯片内外噪声源噪声：在逻辑节点上不希望发生的电压和电流的变化。i(t)

Inductivecoupling电感耦合

Capacitivecoupling电容耦合PowerandgroundNoise电源线和地线噪声v(t)VDD可靠性——噪声逻辑变量X由不连续的电荷量表示节点电压可能是一个连续范围的值额定电平-逻辑状态：逻辑摆幅信号表示方法：布尔逻辑0VOLVILVIHVOH不确定区1过渡区域可接受的低电压可接受的高电压噪声模拟信号与数字信号之间的映射VOUTVINVMVIHVILVOHVOLVOUTVIN=dVOUT=-1dVINdVOUT=-1dVIN逻辑状态LOW0HIGH1不定态X高电平噪声容限低电平噪声容限VIH

VIL不确定区10VOH

VOLNMHNML门输出串联的反相器门0，1区间大→使一个门的稳定型较好且对噪声干扰不敏感噪声容限门输入过渡区增益>1保证一个受干扰的信号在通过若干逻辑级后逐渐收敛回到额定电平中的一个v0再生性再生非再生1vv2v3瞬态仿真V0:2.1~2.9VV1:0.6~4.45VV2:VOL~VOHv01vv2v3反相器链NFan-outNFan-inMMN↑→

逻辑输出电平连接至驱动门输出端负载门N降低Rout增大Ri存在最大值M过大导致静态和动态特性变差扇入和扇出Ri=¥Ro=0Fanout=¥NMH=NML=VDD/2g

=

VinVoutg

=-

VM

=VSW/2判断设计优劣理想门NMHVin

(V)VoutNMLVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0VOH=3.5VVOL=0.45VVIH=2.35VVIL=0.66VVM=1.64VNMH=1.15VNML=0.21VVOH-VOL=3.05V70年代的NMOS非门VTCVINVOUTVOHVOHVOLVOL

90%50%10%90%10%50%trtftPHLtPLHtt延时

61

影响设计的可行性、成本和可靠性2.功耗（Power）Instantaneouspower:瞬时功率

p(t)=v(t)i(t)=Vsupplyi(t)Peakpower:峰值功率

Ppeak=Vsupplyipeak=max[p(t)]Averagepower:平均功率电源线尺寸冷却和电池复杂的CPU散热装置动态功耗：由于对电容充电及在电源和地线间有一短暂通路造成正比于开关频率静态功耗：由于在电源和地线间的静态导电通路或由于漏电流引起传播延时主要是由一给定数量的能量存放在栅电容上的速度来决定能量的传送越快（或者说功耗越大）则门越快对于给定的工艺和门的拓扑结构功耗和延时的乘积一般为一常数这一乘积称为功耗-延时积（PDP）它可以作为一个开关器件质量的度量2.功耗和能耗一阶RC网络

outinCLRddvvv固定成本掩膜版制备研发设备基础设施等一次性投入可变成本硅片处理

封装

测试与产量成正比与芯片面积成正比3.集成电路的成本（与面积密切相关）晶圆12英寸

(30cm)单个芯片28nm工艺流片一次需要200万美元14nm工艺流片一次需要500万美元7nm工艺流片一次需要1500万美元5nm工艺流片一次4725万美元3nm工艺流片可能要上亿美元掩膜版最贵越先进的工艺节点所需要的掩膜版层数就越多28nm大概需要40层14nm工艺需要60张掩膜版7nm工艺需要80张甚至上百张掩膜版一层Mask8万美金因此芯片必须量产拉低成本40nmMCU工艺为例：如果生产10片晶圆每片晶圆成本（90万+4000*10）/10=9.4万美元生产10000片晶圆每片晶圆成本（90万+4000*10000）/10000=4090美元台积电今年给的较新报价：最先进的制程3nm每片晶圆19865美元折合人民币大概14.2w左右集成电路的成本67固定成本正在增加大约掩模成本（$K）爆炸式固定成本/掩模成本0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012每个晶体管的成本每个晶体管的制造成本(Moore’slaw)每个晶体管的成本下降？？？

成品率缺陷

a取决于制造工艺复杂性正比于掩膜板数量约为3晶圆直径:12inch芯片大小:2.5cm2缺陷:1/cm2α=3

芯片成品率:16%40个功能完好例题：芯片成品率

ChipMetallayersLinewidthWafercostDef./cm2Areamm2Dies/waferYieldDiecost386DX20.90$9001.04336071%$4486DX230.80$12001.08118154%$12PowerPC60140.80$17001.312111528%$53HPPA710030.80$13001.01966627%$73DECAlpha30.70$15001.22345319%$149SuperSparc30.70$17001.62564813%$272Pentium30.80$15001.5296409%$417例子确定系统设计的功能和指标系统分析、确定系统设计规范设计输入，RTL级模型建立系统功能仿真逻辑综合和可测试设计版图预布局布线、时钟树建立时序分析、功能优化和形式验证ALUmoduleALU(a,b,c);inputa,b;outputc；DUTstimulusresponse参数提取、时序验证和形式验证版图验证系统版图数据提交前端后端版图设计系统层算法层寄存器传输层逻辑层电路层版图层集成电路设计流程我国集成电路产业发展现状1.产业链全景图产量持续增长2020年2614.23亿块2021年3594.35亿块2022年3241.85亿块2023年3946.78亿块2024年4514.2亿块2025年5190亿块2.集成电路行业现状2024年全年集成电路产业销售突破1.5万亿元3.集成电路行业需求情况3.2025-2030年中国集成电路市场规模预测(亿元)4.长三角、环渤海、珠三角三大核心区域聚集发展的产业格局5.竞争格局：本土企业突围与全球供应链重构（2024）维度本土企业（中国）国际巨头产业链协同设计环节华为海思（营收850亿）紫光展锐（420亿）全球前十高通、博通主导高端市场，但华为海思在5G基带芯片等领域形成差异化竞争EDA工具：华大九天、概伦电子份额8%高端仍依赖Synop