超大規(guī)模集成電路第一章

1、超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)Fundamental of VLSI 齊洪鋼齊洪鋼中國科學院研究生院信息科學與工程學院課程課程l上課時間：每周一，三 第一、二節(jié)課l學時：40， 學分：2l上課地點： S306l答疑時間（Office Hour）：周三上午第三、四節(jié)，地點：N115（教師休息室）l教材：l數(shù)字集成電路電路、系統(tǒng)與設計，Jan M. Rabaey著,周潤德等譯，電子工業(yè)出版社，2004年。l參考教材：l超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)導論，John P. Uyemura著，周潤德 譯，電子工業(yè)出版社，2004年。l納米CMOS集成電路從基本原理到專用芯片實現(xiàn)，Harry Veend

2、rick著，周潤德 譯，電子工業(yè)出版社，2011年。 l不僅限于以上教材不僅限于以上教材成績成績l平時成績：50%l文獻閱讀l作業(yè)要求：認真思考，獨立完成，按時提交，遲交扣分。l期末成績：50% （課堂開卷考試）l課堂講述的重點內(nèi)容開課目的開課目的l集成電路設計是未來科技發(fā)展的重要研究方向。l集成電路設計有非常廣闊的行業(yè)發(fā)展前景。lIntellAMDlXilinxlAlteralTIlSTlMTKl龍芯l中星微課程目標課程目標l廣泛了解集成電路的基礎(chǔ)知識，但對深度不做要求。l學習集成電路的原理和應用。l靜態(tài)和動態(tài)門級電路l組合邏輯電路l時序電路l了解集成電路國內(nèi)外發(fā)展情況，發(fā)展方向。l培養(yǎng)科研

3、型和工程型人才。課程基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)l數(shù)學l微積分l概率統(tǒng)計l數(shù)學建模l數(shù)字電路 l數(shù)字邏輯電路l電路基礎(chǔ)課程內(nèi)容課程內(nèi)容l第一章：介紹l第二章：制造工藝l第三章：器件l第四章：導線l第五章：CMOS反相器l第六章：組合邏輯電路l第七章：時序邏輯電路l第八章：互連問題l第九章：時序問題l第十章：運算單元設計超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)Fundamental of VLSI第一章第一章 介紹介紹集成電路集成電路l集成電路l將晶體管和電阻電容等器件組合在一起完成特定功能的電路l目標：高集成度，低成本，低功耗l在集成電路上“塞進”更多的元件l集成電路的規(guī)模集成電路集成電路世界上第一臺計算機計

4、算機CPU摩爾法則摩爾法則 集成電路應用集成電路應用l應用范圍l計算機l網(wǎng)絡l移動通信l系統(tǒng)控制l消費電子集成電路在手機中應用數(shù)字電路設計層次抽象數(shù)字電路設計層次抽象n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM數(shù)字電路設計劃分數(shù)字電路設計劃分lArchitecture ：描述系統(tǒng)功能lMicroarchitecture：描述Architecture如何劃分成寄存器和功能單元lLogic: 描述如何構(gòu)成功能單元lCircuit：描述晶體管如何構(gòu)成 LogiclPhysical：描述芯片的版圖設計設計尺度設計尺度l如何評估集成電路的性能l成本l可靠性l速度l功耗l固定

5、成本 NRE（non-recurrent engineering）costl與產(chǎn)品銷售量無關(guān)l設計開發(fā)時間和人力l一次性投入：設備、基礎(chǔ)設施、市場、銷售l可變成本l直接用于制造產(chǎn)品的費用，與產(chǎn)量成比例l部件生產(chǎn)成本l組裝費l測試費集成電路成本集成電路成本晶圓單個芯片l成本計算l每個集成電路成本=每個集成電路的可變成本+固定成本/產(chǎn)量l可變成本=（芯片成本+芯片測試成本+封裝成本）/最終測試的成品率l芯片成本=晶圓成本/（每個晶圓包含芯片數(shù)x芯片成品率）集成電路成本集成電路成本l芯片成品率l芯片成品率=（1+單位面積缺陷數(shù)x芯片面積/）- ( 約等于 3)l芯片成本=f（芯片面積）4集成電路成本

6、集成電路成本功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l電路噪聲l邏輯點上不希望發(fā)生的電壓和電流變化i(t)v(t)VDD電感耦合電容耦合電源線和地線噪聲功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l數(shù)字信號表示l數(shù)字信號l信號離散化表示l二進制數(shù)字信號l電平與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換0,1x1,0OHOLVV“ 0”VOLVILVIHVOH不確定區(qū)域“ 1”功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l電壓傳輸特性VTCl表示反相器的輸入輸出電壓關(guān)系V(x)V(y)VOHVOLVM VOHVOLfV(y)=V(x)開關(guān)閾值電壓開關(guān)閾值電壓VOH = f(VOL)VOL = f(VOH)VM = f(VM)功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性lVTC增益l表

7、示輸入輸出電壓在局部的關(guān)系l=dVout/dVinVILVIHVin斜率 = -1斜率 = -1VOLVOHVout“ 0”VOLVILVIHVOH不確定區(qū)“ 1”功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l噪聲容限高電平噪聲容限低電平噪聲容限VIH VIL不確定區(qū)不確定區(qū)10VOH VOLNMHNML門輸出門輸出門輸入門輸入LILOLHOHIHNMVVNMVV功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l再生性v0v1v2v3v4v5v6反相器鏈2V (Volt)4v0v1v2t (nsec)02 11356810MOS反相器鏈的模擬響應功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l再生性v0v1v3finv(v)f(v)v3outv2

8、inv2v1f(v)finv(v)v3outv0in具有再生性門不具有再生性門功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l抗噪聲能力l系統(tǒng)在噪聲存在的情況下正確處理和傳遞信息的能力。l噪聲源類型l與信號擺幅Vsw成比例的噪聲gVsw（節(jié)點內(nèi)部噪聲源）l固定噪聲源fVNf2iswNMiNfjswijVVfVg V212iiN fis wjjf VVg10V OHNMHNML輸出輸出輸入輸入V OLVM功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l扇入和扇出l扇出l連接到驅(qū)動門輸出端的負載門的數(shù)目l扇出影響門的邏輯輸出電平l扇入l邏輯門的輸入數(shù)目l扇入較大的門比較復雜，會使靜態(tài)和動態(tài)特性變差NM功能性和穩(wěn)定性功能性和穩(wěn)定性l理

9、想數(shù)字門l過渡區(qū)增益無窮大l門的閾值位于邏輯擺幅的中點l高低電平噪聲容限等于電壓擺幅的一半l輸入阻抗無窮大l輸出阻抗為零dVout/dVin = VinVoutNMHVin (V)Vout(V)NMLVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0性能性能l數(shù)字電路的計算能力由其性能決定l性能由時鐘周期時間或時鐘頻率表示l周期(cycle)越短，單位時間內(nèi)的周期數(shù)越多，即時鐘頻率越高lT=1/f l時鐘周期由多種因素決定l信號通過邏輯電路的傳播時間l數(shù)據(jù)出入寄存器所需要的時間l時鐘延遲DClkQLogicDClkQ傳播延時傳播延時l門的傳播延時tp定義了它對輸入端信號變化的響應速度2pLHpHLptttVouttftpHLtpLHtrtVint90%10%50%50%傳播延時傳播延時l一階RC網(wǎng)絡的傳播延時l輸出電壓50%點的時間l輸出電壓從10%到90%點的時間/( )(1)toutvteVvoutvinCR一階RC網(wǎng)絡ln(2)0.69tln(9)2.2tRC功耗和能耗功耗和能耗l功耗類型l靜態(tài)功耗l動態(tài)功耗l電路功耗影響l成本l耗電量l性能l延時：PDF（功耗-延時積）為常數(shù)l可靠性l散熱功耗和能耗功耗和能耗l功耗計算l峰值功耗l平均功耗l一階RC網(wǎng)絡的能量損耗l網(wǎng)絡提供能量l能量損耗supmax ( )peakpeak