VLSI系統(tǒng)導論：第一章 VLSI設計基礎概述

2022/11/221VLSI系統(tǒng)導論2022/11/222前言

集成電路的發(fā)展自從1958年集成電路誕生以來，經(jīng)歷了小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、大規(guī)模（LSI）的發(fā)展過程，目前已進入超大規(guī)模（VLSI）和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）階段，是一個“systemonachip”（SOC)的時代。第一代16位的8086芯片中，共容納了約2.8萬個晶體管。32位以上的586級計算機微處理器，如“奔騰”芯片內(nèi)的晶體管數(shù)目則高達500萬以上。目前商業(yè)化半導體芯片的線寬為0.18~0.35μm，今后發(fā)展的趨勢是0.15μm甚至0.1μm以下。2022/11/2232022/11/224圖1、第一臺計算機的核心部分（BabbageDifferenceEngine，1832）機械式結構，需要25,000機械部件，造價昂貴。2022/11/225由于機械式計算機笨重、昂貴，人們開始設計電子式計算機。圖2、第一臺電子計算機（ENIAC,1946）數(shù)字電子計算開始于真空管的發(fā)明。基于真空管的電子計算機時代開始于ENIAC（electronicnumericalintegratorandcomputer）。ENIAC有80英尺長、8.5英尺高、2英尺寬、1英尺厚，由18,000個真空管、1,500個繼電器、成百上千個電阻、電容、電感組成，占據(jù)了整個房間，重達30噸，功耗200千瓦。由于功耗大，發(fā)熱量高，不得不將其放置于具有制冷設備的房間中。其可靠性差、功耗極高。

2022/11/226圖3、第一只晶體管（BellLabs,1948）這種新型器件具有體積小、價格便宜、結構堅固、可靠性高等優(yōu)點。1947年雙極型晶體管的出現(xiàn)標志著固態(tài)電路革命的開始。固態(tài)電路使得便攜式晶體管收音機，助聽器，石英表和按鍵式電話，CD機和個人電腦的發(fā)展有了可能。2022/11/227圖4、第一塊集成電路（ECL3-inputGateMotorola,1966）Bipolarlogic1960’s早期的集成電路由少量的雙極結型晶體管和擴散電阻連接形成簡單的邏輯門。集成雙極型邏輯十分迅速但是功耗大。

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圖5、Intel4004(1971)圖7、Intel8085圖9、Intel8486圖6、Intel8080（1974）圖8、Intel8286圖10、IntelPentium(IV)MOS集成電路解決了低功耗的問題，但是在20世紀60年代金屬柵MOS工藝受制于不可預知的閾值電壓的改變。這個問題終于隨著20世紀70年代早期的多晶硅柵MOS工藝的發(fā)展得到了解決。MOS邏輯很快取代了雙極型邏輯并為微處理器和動態(tài)RAM芯片建立了大量新的市場。2022/11/229到20世紀80年代中期，客戶們要求在單獨一塊集成電路芯片上同時集成具有數(shù)字和模擬功能的芯片。于是很快產(chǎn)生了一種新的融合雙極型－CMOS（BiCMOS）的工藝并專門用于混合信號的設計。盡管這些工藝復雜并且成本高，它們卻提供了其它方法所不能達到的性能。戈登．摩樂（GordonMoore）在1965年預測：每隔3年MOS晶體管尺寸減小1/2，每隔一到兩年單個芯片上晶體管數(shù)目翻一番。過去的25年歷史確實證實了這種發(fā)展趨勢。2022/11/2210第一章

VLSI設計基礎概述

1.1VLSI設計技術基礎與主流制造技術

器件設計基礎----晶體管原理工藝技術基礎----半導體集成電路工藝原理邏輯與電路設計基礎----數(shù)字、模擬集成電路原理版圖設計基礎----晶體管設計、集成電路設計原理計算機輔助設計基礎----集成電路設計軟件應用

器件、工藝、版圖、電路、邏輯分析能力

2022/11/2211VLSI制造的主要技術雙極工藝：以NPN與PNP晶體管為基本元件

集成其他的元件（電阻、電容、二極管等）

高速、低噪聲、驅(qū)動能力大

功率比較大MOS工藝：以NMOS晶體管和PMOS晶體管為基本元件

集成其他的元件（電阻、電容、二極管等）

CMOS結構簡單，集成度高，耗散功率小，成為當今VLSI制造的主流技術

2022/11/22122022/11/22131.2VLSI設計方法與設計技術

VLSI系統(tǒng)的設計通常采用自頂向下（TopDown）和由底向上（BottomUp）的設計方法。

自頂向下設計是一種逐級分解、變換，將系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐泛桶鎴D的過程。是指從系統(tǒng)的行為、功能、性能以及允許的芯片面積和成本要求開始，進行結構設計，同時，根據(jù)結構特點，將其逐級分解為接口清晰，相互關系明確，盡可能簡單的子結構。接著，將結構轉(zhuǎn)換為邏輯，亦即邏輯設計。下一步是電路設計，邏輯圖被細化為電路圖。最后進行版圖設計，至此，自頂向下的過程結束。由底向上設計，是在系統(tǒng)劃分和分解的基礎上，先進行單元設計，在精心設計的單元基礎上，逐級向上完成功能塊、子系統(tǒng)設計，直至到最終的系統(tǒng)完成。

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對于VLSI系統(tǒng)，希望盡量采用模塊化的設計和規(guī)則化的結構，目的是降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜程度。

VLSI的設計理念是將集成電路或系統(tǒng)的分析計算部分和信息接口部分分開進行設計。分析計算部分（即內(nèi)部電路）采用高度規(guī)則的結構以降低版圖設計的難度，提高設計效率；與外部信息交換的接口采用高度優(yōu)化的單元以提高電路或系統(tǒng)的性能與可靠性。

設計軟件的發(fā)展經(jīng)歷了三個主要的發(fā)展階段：分散的輔助設計軟件-------以行命令的形式運行集成的設計軟件環(huán)境-------多進程的集成運行模式具有自動綜合能力的設計系統(tǒng)-------高度自動化的運行模式版圖設計的三種形式：圖形編輯完成版圖的設計調(diào)用版圖單元庫完成版圖的設計采用自動生成的形式完成版圖的設計2022/11/22151.3新技術對VLSI的貢獻尺寸的縮小新結構、新材料的引入設計方法、設計手段的強化和進步2022/11/22161.4ASIC和VLSIASIC是英文ApplicationSpecificIntegratedCircuit的縮寫，即面向特定應用的集成電路。

ASIC可以是專為某一類特定應用而設計的集成電路，稱為標準專用電路，也可以是專為某一用戶的特定應用而設計的集成電路，稱為定制專用電路。市場的需要、VLSI技術的進步為ASIC的發(fā)展提供了舞臺，超大規(guī)模集成成為ASIC的必然。2022/11/2217CustomStandardCellsMacroCellsCell-basedPre-diffused(GateArrays)Pre-wired(FPGA's)Array-basedSemicustomVLSIImplementationApproaches倒相器、緩沖器與非門、或非門異或、同或門觸發(fā)器I/O單元等處理器存儲器鎖相環(huán)ADC/DAC電流基準源等1.5VLSI的版圖結構和設計技術

2022/11/22181.5.1VLSI的版圖總體結構門陣列和標準單元陣列是行式結構的典型應用。

2022/11/2219門陣列、標準單元陣列、宏單元的綜合。

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晶體管規(guī)則陣列----以晶體管為基本元件門陣列----以基本邏輯門為基本元件標準單元----以標準單元為基本元件宏單元、積木塊----以積木單元為基本元件

1.5.2VLSI版圖的內(nèi)部結構在一個集成系統(tǒng)中，常常是上述結構的綜合體2022/11/222132位CISC嵌入式處理器－SEP3201版圖32bitcorePhase-lockedloopandpowercontr