az-集成電路設計原理-01

集成電路設計原理信息科學技術學院張晶泊antaur@上課安排時間 第10周~第18周（2011-5-10~）每周二、周四----三四節(jié)地點 周二 百川樓402 周四 德濟樓302開課對象 電子信息科學與技術專業(yè)2008級（根據(jù)選課名單：71人）先修課程為 《數(shù)字邏輯電路》 《Verilog語言》集成電路設計與集成系統(tǒng)“集成電路設計與集成系統(tǒng)”是教育部2003年設立的本科專業(yè)。培養(yǎng)目標： 學生畢業(yè)后能從事集成電路設計、制造、封裝測試以及集成電路工具的研發(fā)等工作，也可在電子系統(tǒng)領域中從事教學和研發(fā)等技術工作。截止2010年統(tǒng)計， 開設該本科專業(yè)的高校有16所：

北京航空航天大學 西安電子科技大學

天津大學 天津理工大學

華南理工大學

重慶大學

華中科技大學

杭州電子科技大學

西安郵電學院

黑龍江大學 哈爾濱理工大學

華僑大學

青島科技大學 電子科技大學 南通大學

電子科技大學成都學院研究生相關學校首批國家集成電路人才培養(yǎng)基地★清華大學 ★北京大學 ★復旦大學★浙江大學 ★上海交通大學 ★東南大學★華中科技大學 ★電子科技大學 ★西安電子科技大學第二批國家集成電路人才培養(yǎng)基地★北京航空航天大學 ★西安交通大學★哈爾濱工業(yè)大學 ★同濟大學★華南理工大學 ★西北工業(yè)大學第三批國家集成電路人才培養(yǎng)基地★北京工業(yè)大學 ★大連理工大學 ★天津大學★中山大學 ★福州大學本科專業(yè)課程內容電路分析模擬電路數(shù)字電路微機原理與接口技術微電子學概論verilog數(shù)字系統(tǒng)設計集成電路設計的EDA技術VLSI電路設計CMOS模擬集成電路設計SoC系統(tǒng)開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)測試與可測性設計數(shù)模混合集成電路設計學習目的了解集成電路發(fā)展的現(xiàn)狀和未來趨勢；掌握集成電路的基本概念、制造工藝、設計流程及方法；掌握掌握基于FPGA的邏輯設計以及嵌入式設計方法。課程內容第1章集成電路概述第2章集成電路設計基礎第3章集成電路設計流程及方法第4章基于FPGA的集成電路設計第5章基于XILINXV-IIPRO的FPGA開發(fā)案例教學第6章在線邏輯分析儀chipscope應用第7章FPGA中的時鐘管理模塊設計第8章FPGA中存貯單元的設計與使用第9章

基于FPGA的可編程嵌入式開發(fā)技術實驗1、基于ISE的FPGA設計入門實驗2、波形測試法和測試代碼的仿真3、在線邏輯分析儀Chipscope應用4、DCM模塊使用實驗5、Xilinx內嵌塊存儲器的使用

6、SOPC基礎實驗--基礎硬件設計實驗考試安排平時成績實驗成績考試成績開卷考試參考書目1、《數(shù)字集成電路—電路、系統(tǒng)與設計》（第二版） 周潤德譯，電子工業(yè)出版社，2009年2、《微電子學概論》 張興等編，北京大學出版社，2006年3、《XilinxFPGA開發(fā)指南——邏輯設計篇》 田耘等編，人民郵電出版社，2008年4、《XilinxFPGA開發(fā)指南——嵌入式篇》 田耘等編，人民郵電出版社，2008年第一章

概論什么是集成電路 是指通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容、電感等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體晶片(如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的一種器件。集成電路（IC：IntegratedCircuit）芯片顯微照片功能：PLL大?。?.3*1.15cm2集成電路能干什么？QTT533 電源復位穩(wěn)壓集成電路QS7785

環(huán)繞聲解碼集成電路4260 動態(tài)隨機存儲集成電路RCDRS52 紅外遙控傳感集成電路RF9117E6 功率放大集成電路RFF 射頻輸出集成電路85713 行掃描信號校正集成電路A1642P 背景歌聲消除集成電路SBX1765 梳狀濾波集成電路AN5043 調諧控制集成電路KA8330 電機驅動集成電路。。。信息安全信息管理信息獲取信息處理信息傳輸、交換信息存儲信息的執(zhí)行和應用軟件通信技術設備信息技術的領域信息技術幾乎可以滲透到各種傳統(tǒng)產業(yè)，用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)進行升級改造，可以使傳統(tǒng)產業(yè)重新煥發(fā)青春全國各行業(yè)的風機、水泵的總耗電量約占了全國發(fā)電量的30%，僅僅對風機、水泵采用變頻調速等電子技術進行改造，每年即可節(jié)電500億度以上，相當于三個葛洲壩電站的發(fā)電量(157億度/年)對白熾燈進行高效節(jié)能改造（LED技術），并假設推廣應用30%，所節(jié)省的電能相當于三座大亞彎核電站的發(fā)電量(139億度/年)信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)的滲透電子裝備更新?lián)Q代都基于微電子技術的進步，其靈巧（Smart）的程度都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度數(shù)控機床普通機床數(shù)字化技術改造價格相差10倍統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)達國家在發(fā)展過程中都有一條規(guī)律集成電路（IC）產值的增長率（RIC）高于電子工業(yè)產值的增長率（REI）電子工業(yè)產值的增長率又高于GDP的增長率（RGDP）一般有一個近似的關系

RIC≈（1.5~2）REI

REI≈3RGDP15%9%3%FromS.M.SZERIC≈1.7REIREI≈3RGDPS.M.Sze半導體牛人《半導體器件物理》（《PhysicsofSemiconductorDevices》）第三版（英文版）

我國IT企業(yè)與Intel公司利潤的比較銷售額利潤利潤率Intel公司294億美元73億美元24.8%我國一家以計算機生產銷售為主的IT企業(yè)200億人民幣5億人民幣2.5%我國的VCD產業(yè)2%它們在改變您的生活IC發(fā)展史發(fā)明人JackKilby杰克·基爾比 (1923.11-2005.6) 業(yè)界公認的集成電路第一位發(fā)明者 2000年諾貝爾物理學獎得主 美國德州儀器（TI）著名工程師 1958年9月12日公開展示第一塊IC發(fā)明人RobertNoyce羅伯特·諾伊斯 (1927.12-1990.6) 英特爾共同創(chuàng)始人 1957年創(chuàng)辦仙童半導體公司 1968年創(chuàng)辦英特爾公司、 1959年提出一種“半導體結構和鉛結構”模型1960年仙童公司制造出第一塊可以實際使用的單片集成電路電路的演化史分離器件電子管晶體管集成電路超大規(guī)模集成電路電子管的模樣一個真空的小玻璃管，發(fā)射電子束，根據(jù)每個引腳供電電壓大小，電子束產生強弱束流，實現(xiàn)電路的開關或大小控制。缺點：耗電大，壽命有限

很多中高端的音響功率放大器（簡稱‘功放’）為了追求音質的完美，還是采用電子管優(yōu)點：電子管負載能力強，線性性能優(yōu)于晶體管，在高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好晶體管的發(fā)明

理論基礎：三個重要物理效應光電導效應 1873年英國物理學家史密斯（W.Smith）發(fā)現(xiàn)的晶體硒在光照射下電阻變小的特性。光生伏特效應 1877年英國物理學家亞當斯（W.G.Adams）發(fā)現(xiàn)的晶體硒和金屬接觸在光照射下產生電動勢的特性。整流效應

1906年，美國物理學家皮爾遜發(fā)現(xiàn)金屬與硅晶體接觸產生整流作用的特性。理論推動：量子力學建立能帶理論，用于分析半導體現(xiàn)象。材料科學需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達等武器的需求1946年1月， Bell實驗室正式成立半導體研究小組J.Bardeen巴丁

提出了表面態(tài)理論W.Schokley肖克利

給出了實現(xiàn)放大器的基本設想W.Brattain布拉頓

設計了實驗1947年12月23日， 第一次觀測到了具有放大作用的晶體管1947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管獲得1956年Nobel物理獎獲獎者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain三極管金正AV-N109功放電路圖（部分）對于基礎電路，不論小電路還是大電路，無非就是三極管、二極管、電阻、電容這四大基本元件購成。對于一個CPU，也許幾十塊這樣的電路板、幾百上千個晶體管才能構建成其中一個運算單元。帶來問題：假如這電路中，出現(xiàn)故障。比如：有一個晶體管損壞，那結果…集成電路的發(fā)明1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一次提出了集成電路的設想1958年以德克薩斯儀器公司的科學家卡爾.基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結果。世界上第一塊IC移相振蕩器，產生了1.3MHz的信號1958年9月12日2000年諾貝爾物理學獎1962年Wanlass與C.T.Sah提出CMOS技術(仙童) 現(xiàn)在集成電路產業(yè)中占95%以上。 CMOS的最大特征就是低功耗。1967年Kahng與S.Sze發(fā)明了非揮發(fā)性存儲器。1968年Dennard發(fā)布“一個有關晶體管動態(tài)RAM單元的發(fā)明”(IBM)1971年Intel公司微處理器40041968年Dennard發(fā)布“一個有關晶體管動態(tài)RAM單元的發(fā)明”IBM美國專利＃3387286

人類從此進入了intel時代1971年Intel公司微處理器4004目前全世界微機總量約6億臺。在美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量。美國歐特泰克公司認為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀改變人類社會和經(jīng)濟的三大技術創(chuàng)新。硅谷傳奇貝爾實驗室肖克利半導體實驗室仙童公司國家半導體公司NSC高級微型儀器公司AMD英特爾Intel“叛逆八人幫”肖克利。。。。。貝爾實驗室1925年1月1日，AT&T與WesternElectric公司的工程研究開發(fā)部合并，成立了貝爾實驗室。今天，它是朗訊科技公司的研究開發(fā)部門。貝爾實驗室自成立以來共推出27000多項專利，現(xiàn)在平均每個工作日推出4項專利。在全球擁有10000多名科學家和工程師至少平均每天的學術論文都有一千多篇。肖克利姓名：肖克利 Shockley,WilliamBradford 國家或者地區(qū)：英國-美國 學科：物理學家成就：1956年度的諾貝爾物理學獎金。 晶體管之父 硅谷的共同奠基人。 肖克利博士非凡的商業(yè)眼光，成就了硅谷。 也是肖克利博士拙劣的企業(yè)才能，創(chuàng)造了硅谷。 他是硅谷的第一公民。叛逆八人幫諾依斯（N.Noyce）摩爾（R.Moore）布蘭克（J.Blank）克萊爾（E.Kliner）赫爾尼（J.Hoerni）拉斯特（J.Last）羅伯茨（S.Boberts）格里尼克（V.Grinich）仙童半導體公司1969年在森尼維爾舉行的一次半導體工程師大會上，400位與會者中，未曾在仙童公司工作過的還不到24人?！?0年代初暢銷書《硅谷熱》中寫到：“硅谷大約70家半導體公司的半數(shù)，是仙童公司的直接或間接后裔蘋果公司喬布斯形象比喻的那樣：“仙童半導體公司就象個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風四處飄揚了。”Intel的歷史人類歷史上第一塊集成電路奠定了X86構架的體系，主頻4.77MHz，采用16位寄存器、16位數(shù)據(jù)總線29000個3微米技術的晶體管，標志著第三代微處理器問世摩爾定律 摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來的。其內容為：集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。微處理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002010導入期Moore’s

Law成熟期20032001Productionready0.13μmGatewidthSource:Intel200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35μm0.25μm0.18μm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm微電子技術的進步集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術集成電路的分類分類依據(jù)按功能結構分類按制作工藝分類

按集成度高低分類

按導電類型不同分類

按用途分類

按功能結構分類集成電路按其功能、結構的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。模擬集成電路用來產生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間變化的信號）例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等數(shù)字集成電路用來產生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號）例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號。按制作工藝分類集成電路按制作工藝可分為半導體集成電路和薄膜集成電路。薄膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。按集成度高低分類小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）類別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOSIC雙極ICSSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109劃分集成電路規(guī)模的標準按導電類型不同分類集成電路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路。雙極型集成電路的制作工藝復雜，功耗較大。代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL等類型。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路。代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。按用途分類視頻處理集成電路音頻處理成電路通信用集成電路照相機用集成電路遙控集成電路報警器用集成電路。。。主要發(fā)展方向三個主要發(fā)展方向：繼續(xù)增大晶圓尺寸和縮小特征尺寸集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)

可編程器件可能取代專用集成電路（ASIC）微電子技術與其它領域相結合將產生新產業(yè)和新學科集成電路生產流程SingledieGoingupto12”(300mm)Wafer大規(guī)模生產的硅片直徑已經(jīng)從200mm轉入300mm。2015年左右有可能出現(xiàn)400mm--450mm直徑的硅片。

縮小器件的特征尺寸所謂特征尺寸是指器件中最小線條寬度,常常作為技術水平的標志。對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸，也是設計采用的最小設計尺寸單位（設計規(guī)則）縮小特征尺寸從而提高集成度是提高產品性能/價格比最有效手段之一。只有特征尺寸縮小了，在同等集成度的條件下，芯片面積才可以做得更小,而且可以使產品的速度、可靠性都得到提高，相應成本可以降低。20032001Productionready0.13μmGatewidthSource:Intel200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35μm0.25μm0.18μm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm集成電路最主要的特征參數(shù)的設計規(guī)則從1959年以來40年間縮小了140倍。而平均晶體管價格降低了107倍。特征尺寸：10微米→1.0微米→

0.8μ（亞微米）→半微米0.5μ→深亞微米0.35μ,0.25μ,0.18μ,0.13μ→納米

90nm→65nm→45nm集成電路走向系統(tǒng)芯片SoCSOCSystemOnAChipSystemonChip（SoC）？ 稱為系統(tǒng)級芯片,也