VLSI電路與系統(tǒng)

1、VLSI電路與系統(tǒng)課程內(nèi)容： 第一層次：集成電路工藝基礎(chǔ) 第二層次：CMOS數(shù)字集成電路 第三層次：數(shù)字集成電路功能模塊分析設(shè)計(jì)及運(yùn)用 第四層次：數(shù)字集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材及教學(xué)參考教材&教參：數(shù)字集成電路-電路、系統(tǒng)與設(shè)計(jì)電子工業(yè)出版社CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)（第四版）電子工業(yè)出版社現(xiàn)代VLSI設(shè)計(jì)-系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)科學(xué)出版社超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導(dǎo)論 電子工業(yè)出版社第一章 概論超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated Circuit，簡(jiǎn)寫(xiě)為VLSI)是泛指各類(lèi)通用或面向?qū)ｉT(mén)用途而設(shè)計(jì)制造的集成電路 VLSI的設(shè)計(jì)涉及從電子系統(tǒng)到集成電路制造整個(gè)過(guò)程

2、。VLSI實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的同時(shí)隱含著知識(shí)的集成。VLSI設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)具有邏輯抽象、電路技術(shù)、器件物理、加工工藝等方面的綜合知識(shí)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)師(VLSI的用戶(hù))掌握了CAD工具的必要部分之后，可以在邏輯級(jí)以上的層次獨(dú)立設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮他的知識(shí)優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)風(fēng)格。 全新的集成電路生產(chǎn)和市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)觀念 VLSI生產(chǎn)者必須把產(chǎn)品的快周期開(kāi)發(fā)放在首要位置，力求適時(shí)地將產(chǎn)品推入市場(chǎng)以取得優(yōu)勢(shì)。不能因執(zhí)意追求最佳性能價(jià)格比而延誤時(shí)機(jī)。 VLSI生產(chǎn)線承接外部設(shè)計(jì)的代理加工，已導(dǎo)致世界性的IC生產(chǎn)線集中經(jīng)營(yíng)的趨勢(shì)和獨(dú)立，分散的VLSI設(shè)計(jì)行業(yè)的興起。 大企業(yè)已不再可能簡(jiǎn)單地憑借以雄厚財(cái)力為基礎(chǔ)的大規(guī)模生產(chǎn)壟斷IC市場(chǎng)。

3、許多有志于涉足IC的小公司憑借智力的優(yōu)勢(shì)在短期內(nèi)也可以為自己開(kāi)辟出收益頗豐的園地。 集成電路已是各類(lèi)電子系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù) 計(jì)算機(jī)的發(fā)展就直接依賴(lài)于VLSI技術(shù)。 通信技術(shù)特別是電話通信(包括有線電話和移動(dòng)通信)也是受VLSI影響很大的又一領(lǐng)域。信號(hào)處理技術(shù)近年來(lái)都成為集成電路特別是專(zhuān)用集成電路應(yīng)用的重要領(lǐng)域。 日用電子技術(shù)和產(chǎn)品 軍事和航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)集成電路提出子更為苛刻和更為迫切的要求 在為提高人們健康水平的醫(yī)療保健技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，也愈來(lái)愈多地使用了各種醫(yī)用電子設(shè)備和集成電路產(chǎn)品。 娛樂(lè)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。1.2 集成電路的分類(lèi) 按用途分類(lèi)-數(shù)字集成電路 數(shù)字集成電路是用來(lái)專(zhuān)門(mén)處理數(shù)字信號(hào)的，各種邏

4、輯門(mén)、觸發(fā)器、存儲(chǔ)器等電路都是數(shù)字集成電路。 數(shù)字信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào) 數(shù)字電路的工作特點(diǎn)是:電路輸出的二進(jìn)制信號(hào)與輸入二進(jìn)制信號(hào)有一定的邏輯關(guān)系，這個(gè)邏輯關(guān)系就稱(chēng)為電路的邏輯函數(shù)。在正常的電壓工作范圍內(nèi)，電壓的幅度是被量化了的：某一電壓范圍代表二進(jìn)制狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)，另一電壓范圍則代表了另一個(gè)狀態(tài)。這兩個(gè)范圍之何的不確定范圍應(yīng)盡可能小，這將使電路完全工作在非線性狀態(tài)，如下圖所示。 按用途分類(lèi)-模擬集成電路 模擬集成電路是對(duì)隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量(電壓或電流等)進(jìn)行處理(放大或變換)的一類(lèi)集成電路，它通常又可分為線性集成電路和非線性集成電路。 更廣義些，人們把數(shù)字集成電路以外的各種集成電路統(tǒng)稱(chēng)為模

5、擬集成電路。模擬集成電路中的各種集成化的高、低、中頻放大器、差分放大器和運(yùn)算放大器等屬于線性集成電路。 模擬集成電路中的各種混頻器，振蕩器、非線性放大器，整流、檢波和函數(shù)變換的集成電路則屬于非線性集成電路。 按用途分類(lèi)-數(shù)?；旌霞呻娐?由于數(shù)字信號(hào)在產(chǎn)生、恢復(fù)、傳輸、儲(chǔ)存及其處理方面較之模擬信號(hào)有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，利用數(shù)字技術(shù)來(lái)處理模擬信號(hào)的場(chǎng)合愈來(lái)愈廣泛。 高清晰度數(shù)字電視(HDTV)、數(shù)字錄音、數(shù)字化語(yǔ)音通信等許多原以模擬信號(hào)處理技術(shù)為中心的領(lǐng)域都逐步采用了數(shù)字技術(shù)。 在這些領(lǐng)域內(nèi)的電子系統(tǒng)或電子設(shè)備中同時(shí)兼有數(shù)字電路、模擬電路，模-數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)-模(DA)轉(zhuǎn)換電路。 在同一芯片上

6、含有這些電路的集成電路產(chǎn)品通常稱(chēng)為數(shù)模混合集成電路。按集成度分類(lèi) 將每片含有100個(gè)元件或10個(gè)門(mén)以下的集成電路稱(chēng)為小規(guī)模集成電路(SSI)； 每片含有10至100個(gè)邏輯門(mén)或100至1000個(gè)元件的集成電路稱(chēng)為中規(guī)模集成電路(MSI)； 每片含100至 5,0O0個(gè)等效門(mén)或含有1,000至100,000個(gè)元件的集成電路稱(chēng)為大規(guī)模集成電路(LSI)； 每片有5,000個(gè)門(mén)或100,000個(gè)元件以上的集成電路則稱(chēng)為超大規(guī)模集成電路(VLSI)。每個(gè)邏輯門(mén)是指一個(gè)等價(jià)二輸入與非/或非門(mén) 按適用性分類(lèi)-標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路和專(zhuān)用集成電路。 通用集成電路是指不同廠家都在同時(shí)生產(chǎn)的用量極大的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。這類(lèi)

7、產(chǎn)品往往集成度高，而且社會(huì)需求量大，通用性強(qiáng)。專(zhuān)用集成電路則是根據(jù)某種電子設(shè)備中特定的技術(shù)要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的集成電路，簡(jiǎn)稱(chēng)為ASIC。VLSI設(shè)計(jì)技術(shù)取得突破有三方面的基礎(chǔ)一是器件尺寸按比例縮小理論；二是器件縮小后新的物理機(jī)制和理論模型的建立；三是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的進(jìn)步。 向集成系統(tǒng)發(fā)展；通用電路向?qū)Ｓ秒娐钒l(fā)展；設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等方面的自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高高速度、高頻率、大功率、低功耗、耐壓高的集成電路產(chǎn)品亦在不斷研究發(fā)展之中。 集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程 ：自上而下 首先確定將設(shè)計(jì)的電路具有何種性能要求，再確定體系結(jié)構(gòu)，亦即將大系統(tǒng)劃分為相對(duì)較為獨(dú)立的子系統(tǒng)，依次再進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和版

8、圖設(shè)計(jì)。由于整個(gè)設(shè)計(jì)方法是自上而下形成一條鏈路，所以每完成一步設(shè)計(jì)都要經(jīng)過(guò)仔細(xì)地模擬比較或校驗(yàn)，確保該步設(shè)計(jì)正確再轉(zhuǎn)至下一步的設(shè)計(jì)。即使在版圖設(shè)計(jì)完成之后，也還要從版圖中提取參數(shù)再進(jìn)行模擬比較，結(jié)果正確再交付生產(chǎn)制造。 圖1-2是自上而下設(shè)計(jì)方法框圖 集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程 ：自下而上自下而上的設(shè)計(jì)過(guò)程則與自上而下的設(shè)計(jì)過(guò)程相反。這種設(shè)計(jì)方法是充分利用工藝特性和電特性都相當(dāng)成熟典型的基本電路單元，自下而上地綜合設(shè)計(jì)出各種芯片產(chǎn)品的過(guò)程。 隨著IP CORE 產(chǎn)品的豐富及完善，這種設(shè)計(jì)方式越來(lái)越受重視。芯片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的5個(gè)階段 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段；電路設(shè)計(jì)階段；CAD設(shè)計(jì)階段；樣片生產(chǎn)階段；批量生產(chǎn)階段。

9、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要提出系統(tǒng)的總體指標(biāo)，其中包括關(guān)鍵功能、子系統(tǒng)劃分、各子系統(tǒng)功能特點(diǎn)以及重要的端口特性、功率消耗、封裝要求以及主要的接口要求。既然是在系統(tǒng)總體規(guī)劃階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，只宜對(duì)關(guān)鍵特性指標(biāo)作出具體規(guī)定，其余細(xì)節(jié)部分不作苛求，以利后面設(shè)計(jì)階段有較大的回旋余地。 進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和基本單元電路形式的選定。選擇制造廠商，決定采用什么工藝形式(雙極、MOS)和運(yùn)用什么樣的設(shè)計(jì)手段(全定制、門(mén)陣列，宏單元或標(biāo)準(zhǔn)單元)。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化結(jié)果再進(jìn)行邏輯模擬和時(shí)序驗(yàn)證，以保證邏輯系統(tǒng)正確。要考慮測(cè)試方法或測(cè)試模式。表1-4列出了在此設(shè)計(jì)階段用戶(hù)和廠商所要從事的工作和協(xié)調(diào)關(guān)系。 在電路設(shè)計(jì)

10、階段，要將上面各步的設(shè)計(jì)內(nèi)容都具體化。 決定引出腳排列、封裝形式邏輯門(mén)的具體結(jié)構(gòu)和數(shù)量、芯片面積、功率消耗、供電方式(單電源、雙電源以及電源數(shù)值)。輸出功率、競(jìng)爭(zhēng)條件、噪聲余度、主信號(hào)通道也都是本階段設(shè)計(jì)所要考慮的問(wèn)題。表1-5列出了這設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù) CAD設(shè)計(jì)過(guò)程：需要用到邏輯模擬、故障模擬、電路模擬等許多軟件程序需要單元庫(kù)或各種標(biāo)準(zhǔn)單元，布局布線軟件和產(chǎn)生版圖的軟件和接口設(shè)備。所有這些軟件程序和接口設(shè)備都必須和選定的制造廠商協(xié)調(diào)一致，以保證通過(guò)CAD設(shè)計(jì)的結(jié)果可以投制樣片設(shè)計(jì)師可以到集成電路制造商的汁算中心去進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以在用戶(hù)自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或工作站上從事集成電路設(shè)計(jì)，但是這些計(jì)算

11、機(jī)系統(tǒng)或工作站的軟件必須與制造商協(xié)調(diào)一致。 CAD設(shè)計(jì)階段的最終結(jié)果是記錄在軟磁盤(pán)或磁帶上的一系列數(shù)據(jù)。集成電路制造商根據(jù)這些數(shù)據(jù)就能制出一套掩模，用于選定的工藝線試制出電路樣片。制造商再根據(jù)用戶(hù)提供的測(cè)試規(guī)范對(duì)樣片進(jìn)行檢測(cè)并將結(jié)果通告用戶(hù)。用戶(hù)在收到樣片測(cè)試報(bào)告后，將硬件測(cè)試結(jié)果與原系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)相比較，如果符合要求，就可準(zhǔn)予批量投產(chǎn)。若樣片結(jié)果不能令人滿(mǎn)意則需要仔細(xì)檢查問(wèn)題出在哪里，如果原設(shè)計(jì)過(guò)程中有誤，就得對(duì)原設(shè)計(jì)有關(guān)部分進(jìn)行修改或全部重新設(shè)計(jì)。表17列出了樣片或產(chǎn)品制造階段的任務(wù) 工藝選擇- VLSI中常見(jiàn)工藝特點(diǎn)CMOS特點(diǎn)是功耗低、密度高，目前采用H_CMOS工藝，門(mén)時(shí)延已達(dá)0.

12、Xns，是使用最為廣泛的集成電路生產(chǎn)工藝。ECL特點(diǎn)是速度極高、功耗大,需特殊冷卻措施，在對(duì)速度有特別要求的地方，ECL仍是主要的制作工藝。 I2L功耗低，速度慢 TTL速度較高，功耗高 全定制設(shè)計(jì)方法 全定制設(shè)計(jì)方法有時(shí)亦稱(chēng)為全用戶(hù)設(shè)計(jì)方法和用戶(hù)設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法完全是由用戶(hù)設(shè)計(jì)師根據(jù)所選定的生產(chǎn)工藝按自己的要求獨(dú)立地進(jìn)行集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣可以使所設(shè)計(jì)的電路具有盡可能高的工作速度，盡可能小的芯片面積和完全滿(mǎn)意的封裝。 全定制這種設(shè)計(jì)方法，一般也是利用標(biāo)準(zhǔn)單元或單元庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些單元的布置相連線都要用人工布置得盡可能緊湊，所以這種設(shè)計(jì)過(guò)程要花費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間。檢驗(yàn)和改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤

13、也是非常艱巨的工作。 全定制設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須有非常大的產(chǎn)量才能使每塊芯片成本下降。通用的微處理器芯片等都是以全定制設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)制造的。這是因?yàn)橹圃鞆S商在設(shè)計(jì)初期就預(yù)測(cè)到這些微處理器芯片需求量極大，從而希望它們有盡可能好的工作性能和最小芯片面積。 半定制設(shè)計(jì)方法 這種設(shè)計(jì)方法是廠商以給定的工藝將硅大圓片事先制成半成品。這種半成品有時(shí)稱(chēng)為母片。例如做成門(mén)陣列，這些電路通常在芯片上排列成矩陣形式，相互之間尚未實(shí)現(xiàn)電氣連接。電路設(shè)計(jì)師根據(jù)產(chǎn)品要求將半成品芯片上的電路完成恰當(dāng)?shù)幕ミB以制成產(chǎn)品。門(mén)陣列設(shè)計(jì)方法中通常只需設(shè)計(jì)少數(shù)幾張掩模來(lái)完成母片上的金屬電氣連接。 與全定制設(shè)計(jì)方法相比，半定制設(shè)計(jì)方法可以節(jié)省

14、大雖時(shí)間和精力。要開(kāi)發(fā)ASIC產(chǎn)品用全定制設(shè)計(jì)方法太費(fèi)時(shí)間或產(chǎn)品批量不大，用標(biāo)準(zhǔn)通用商品組件裝配又不能滿(mǎn)足要求，往往采用半定制設(shè)計(jì)方法。 ASIC的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期大為縮短，用戶(hù)可以很快得到所定制的芯片，從而使自己的產(chǎn)品迅速投放市場(chǎng)。一般5000門(mén)規(guī)模的芯片用門(mén)陣列方法可以只花半個(gè)月時(shí)間完成設(shè)計(jì)，半個(gè)月時(shí)間完成芯片的生產(chǎn)制造 性能提高、價(jià)格下降。例如1000個(gè)門(mén)的典型CMOS門(mén)陣列，售價(jià)約5美元。性能更好的標(biāo)準(zhǔn)單元電路產(chǎn)量亦增加很快，且新規(guī)格、新品種也不斷涌現(xiàn) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，各式各樣的工程設(shè)計(jì)工作站，無(wú)論在質(zhì)量、數(shù)量上，發(fā)展極為迅速。各半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家也為用戶(hù)提供越來(lái)越方便的各種設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以利用戶(hù)從事ASIC設(shè)計(jì) 集成電路設(shè)計(jì)與制造過(guò)程示意圖集成電路設(shè)計(jì)與制造過(guò)程示意圖 邏輯元件庫(kù)，元件版圖庫(kù)，邏輯元件庫(kù)，元件版圖