第二講.集成電路芯片的發(fā)展歷史設(shè)計(jì)與制造

第二講

集成電路芯片的發(fā)展歷史、設(shè)計(jì)與制造北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系王昭順提綱集成電路芯片及其發(fā)展歷史集成電路芯片的設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力，一部分來(lái)自計(jì)算機(jī)理論的發(fā)展，但主要來(lái)自集成電路芯片性能的大幅提高。

集成電路芯片性能提高大致符合摩爾定律，即處理器(CPU)的功能和復(fù)雜性每年(其后期減慢為18個(gè)月)會(huì)增加一倍，而成本卻成比例地遞減。

集成電路生產(chǎn)工藝的提高，縮小了單管的尺寸，提高了芯片的集成度與工作頻率，降低了工作電壓。1集成電路芯片及其發(fā)展歷史什么是集成電路與芯片CPU的結(jié)構(gòu)集成電路發(fā)展歷史我國(guó)集成電路發(fā)展歷史一、什么是集成電路與芯片1.集成電路

集成電路（integratedcircuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，這樣，整個(gè)電路的體積大大縮小，且引出線和焊接點(diǎn)的數(shù)目也大為減少，從而使電子元件向著微小型化、低功耗和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。優(yōu)點(diǎn)：體積??；重量輕；成本低；性能好；可靠性高；壽命長(zhǎng)；便于大規(guī)模生產(chǎn)2.芯片

芯片是計(jì)算機(jī)基本的電路元件的載體。計(jì)算機(jī)中的許許多多半導(dǎo)體、晶體管、電阻、電容等元件都得裝在芯片上面，形成集成電路。

芯片的功能是對(duì)輸入的信息進(jìn)行加工。芯片尺寸越小，電腦的體積就越小，裝置的晶體管等元件越多，計(jì)算機(jī)的功能就越先進(jìn)。芯片的分類：（1）CPU芯片：計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制的部件（2）存儲(chǔ)芯片：用于記錄電子產(chǎn)品中的各種格式的數(shù)據(jù)（3）數(shù)字多媒體芯片：芯片設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出符合應(yīng)用需求的電路，并將其集成在芯片上。3.半導(dǎo)體材料及芯片的歷史

第一代：以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料目前仍然是最主要的半導(dǎo)體器件材料。但是硅材料帶隙(禁帶)較窄和擊穿電場(chǎng)較低等物理屬性的特點(diǎn)限制了其在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用。第二代：20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展和以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路與互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角。目前GaAs幾乎壟斷了手機(jī)制造中的功放器件市場(chǎng)。第三代：第三代半導(dǎo)體材料的興起以GaN(氮化鎵)材料P型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器研制成功為標(biāo)志的。4.集成電路的分類(1)按功能結(jié)構(gòu)分類

按集成電路功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。(2)按制作工藝分類

按集成電路制作工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和薄膜集成電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。(3)按集成度高低分類按集成電路集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路?？s寫(xiě)名稱門(mén)數(shù)量SSI小規(guī)模集成電路1～10MSI中規(guī)模集成電路10～1000LSI大規(guī)模集成電路1000～100000VLSI超大規(guī)模集成電路多于100000(4)按導(dǎo)電類型不同分類

按集成電路導(dǎo)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：制作工藝復(fù)雜，功耗大。典型代表有TTL、ECL、HTL等；單極型集成電路：制作工藝簡(jiǎn)單，功耗較低，易于制成大規(guī)模集成電路。典型代表有CMOS、NMOS、PMOS等。

(5)按用途分類

按集成電路用途可分為電視機(jī)用集成電路、音響用集成電路、影碟機(jī)用集成電路、錄像機(jī)用集成電路、電腦（微機(jī)）用集成電路…5.摩爾定律Intel公司的主席戈登·摩爾在1965年指出：芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每年可以翻一番。

1975年，摩爾修正了摩爾定律，他認(rèn)為：每隔18個(gè)月，芯片中晶體管的數(shù)量可以翻一番。集成度：1000萬(wàn)~10億線寬：2~0.045μm40多年的實(shí)踐證明，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。集成電路生產(chǎn)工藝的提高（2/1/0.8/0.6/0.5/0.35/0.25/0.18/0.13um/90/65/45/32nm)，縮小了單管的尺寸，提高了芯片的集成度與工作頻率，降低了工作電壓。今后可再用10年？Intel的目標(biāo)是在2022年使用4納米的工藝。但只有22納米的目標(biāo)是比較可行的，以后的目標(biāo)有待技術(shù)突破。芯片集成度的提高受以下限制：

芯片集成度受物理極限的制約

按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本

芯片的功耗、散熱、線延遲高功耗對(duì)芯片可靠性的影響高功耗導(dǎo)致了高的工作溫度(102W的Prescott，標(biāo)稱工作溫度為74度)。

高的工作溫度使各種輕微物理缺陷所造成的故障顯現(xiàn)出來(lái)，如橋接故障。高的工作溫度使連線電阻變大，使線延時(shí)增加，時(shí)延故障變得嚴(yán)重起來(lái)。同時(shí)溫度的提高，使漏電流增加，降低工作電壓，使門(mén)延時(shí)增加，同樣使時(shí)延故障變得嚴(yán)重起來(lái)。同時(shí)漏電流增加，還會(huì)導(dǎo)致P/G網(wǎng)的失效。P4-2GHz的風(fēng)扇半導(dǎo)體+風(fēng)冷的復(fù)合制冷裝置6.IC的普及

僅僅在其開(kāi)發(fā)后半個(gè)世紀(jì)，集成電路變得無(wú)處不在，電腦，手機(jī)和其他數(shù)字電器成為現(xiàn)代社會(huì)結(jié)構(gòu)不可缺少的一部分。這是因?yàn)椋F(xiàn)代計(jì)算，交流，制造和交通系統(tǒng)，包括互聯(lián)網(wǎng)，全都依賴于集成電路的存在。甚至很多學(xué)者認(rèn)為有集成電路帶來(lái)的數(shù)字革命是人類歷史中最重要的事件。

最先進(jìn)的集成電路是微處理器或多核處理器的"核心(cores)",可以控制電腦到手機(jī)到數(shù)字微波爐的一切。

存儲(chǔ)器和ASIC是其他集成電路家族的例子，對(duì)于現(xiàn)代信息社會(huì)非常重要。二、CPU的結(jié)構(gòu)1.CPUCPU是中央處理單元(centralprocessingUnit)的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱為微處理器(microprocessor)，人們直接稱其為處理器(processor)。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成，

是計(jì)算機(jī)的核心，它的作用和大腦更相似，它負(fù)責(zé)處理、運(yùn)算計(jì)算機(jī)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)，而主板芯片組則更像是心臟，它控制著數(shù)據(jù)的交換。CPU的種類決定了你使用的操作系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件。處理器是計(jì)算機(jī)的核心，再配上儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成為完整的計(jì)算機(jī)。2.CPU新技術(shù)1)Core（酷睿）英特爾2006年7月份將推出的是65納米“Merom用于移動(dòng)計(jì)算機(jī)T”，“Conroe用于桌面計(jì)算機(jī)E”，“Woodcrest用于服務(wù)器XEONITANIUM”雙內(nèi)核處理。Core是英特爾最新的一種處理器微架構(gòu)。2)Nehalem（迅馳）2008年1月8日，英特爾公司發(fā)布了首批基于英特爾Nehalem（迅馳）處理器技術(shù)筆記本上的45納米（nm）處理器。Nehalem是用于服務(wù)器的雙路CPU。Nehalem是4核心、8線程、64bit、4超標(biāo)量發(fā)射、亂序執(zhí)行的CPU，有16級(jí)流水線、48bit虛擬尋址和40bit物理尋址。Nehalem還是基本建立在Core微架構(gòu)（CoreMicroarchitecture）的骨架上，外加增添了SMT、3層Cache、TLB和分支預(yù)測(cè)的等級(jí)化、IMC、QPI和支持DDR3等技術(shù)。比起從Pentium4的NetBurst架構(gòu)到Core微架構(gòu)的較大變化來(lái)說(shuō)，從Core微架到Nehalem架構(gòu)的基本核心部分的變化則要小一些，因?yàn)镹ehalem還是4指令寬度的解碼/重命名/撤銷。三、集成電路發(fā)展歷史

1947年：貝爾實(shí)驗(yàn)室肖克萊等人發(fā)明了晶體管，這是微電子技術(shù)發(fā)展中第一個(gè)里程碑；1950年：結(jié)型晶體管誕生；1950年：ROhl和肖特萊發(fā)明了離子注入工藝；1951年：場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)明；1956年：CSFuller發(fā)明了擴(kuò)散工藝；1958年：仙童公司RobertNoyce與德儀公司基爾比間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開(kāi)創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史；1960年：HHLoor和ECastellani發(fā)明了光刻工藝；1962年：美國(guó)RCA公司研制出MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技術(shù)，今天，95%以上的集成電路芯片都是基于CMOS工藝；1964年：Intel的摩爾提出摩爾定律，預(yù)測(cè)晶體管集成度將會(huì)每18個(gè)月增加1倍；1966年：美國(guó)RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門(mén)陣列（50門(mén)）；1967年：應(yīng)用材料公司（AppliedMaterials）成立，現(xiàn)已成為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造公司；1971年：Intel推出1kb動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM），標(biāo)志著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)；1971年：全球第一個(gè)微處理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工藝，這是一個(gè)里程碑式的發(fā)明；1974年：RCA公司推出第一個(gè)CMOS微處理器1802；1976年：16kbDRAM和4kbSRAM問(wèn)世；1978年：64kb動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬(wàn)個(gè)晶體管，標(biāo)志著超大規(guī)模集成電路（VLSI）時(shí)代的來(lái)臨；1979年：Intel推出5MHz8088微處理器，之后，IBM基于8088推出全球第一臺(tái)PC；1981年：256kbDRAM和64kbCMOSSRAM問(wèn)世；1984年：日本宣布推出1MbDRAM和256kbSRAM；1985年：80386微處理器問(wèn)世，20MHz；1988年：16MDRAM問(wèn)世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬(wàn)個(gè)晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入甚大規(guī)模集成電路（ULSI）階段；1989年：1MbDRAM進(jìn)入市場(chǎng)；1989年：486微處理器推出，25MHz，1μm工藝，后來(lái)50MHz芯片采用0.8μm工藝；1992年：64M位隨機(jī)存儲(chǔ)器問(wèn)世；1993年：66MHz奔騰處理器推出,采用0.6μｍ工藝；1995年：PentiumPro,133MHz，采用0.6-0.35μｍ工藝；1997年：300MHz奔騰Ⅱ問(wèn)世,采用0.25μｍ工藝；1999年：奔騰Ⅲ問(wèn)世，450MHz，采用0.25μｍ工藝，后采用0.18μm工藝；2000年:1GbRAM投放市場(chǎng)；2000年：奔騰4問(wèn)世，1.5GHz，采用0.18μｍ工藝；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工藝。2003年：奔騰4E系列推出，采用90nm工藝。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工藝。2007年：基于全新45納米High-K工藝的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀(jì)錄采用了領(lǐng)先的32納米工藝，

并且下一代22納米工藝正在研發(fā)。四、我國(guó)集成電路發(fā)展史我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)誕生于六十年代，共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：1965年-1978年：以計(jì)算機(jī)和軍工配套為目標(biāo)，以開(kāi)發(fā)邏輯電路為主要產(chǎn)品，初步建立集成電路工業(yè)基礎(chǔ)及相關(guān)設(shè)備、儀器、材料的配套條件；1978年-1990年：主要引進(jìn)美國(guó)二手設(shè)備，改善集成電路裝備水平，在“治散治亂”的同時(shí)，以消費(fèi)類整機(jī)作為配套重點(diǎn)，較好地解決了彩電集成電路的國(guó)產(chǎn)化；1990年-2000年：以908工程、909工程為重點(diǎn)，以CAD為突破口，抓好科技攻關(guān)和北方科研開(kāi)發(fā)基地的建設(shè)，為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，集成電路行業(yè)取得了新的發(fā)展。2001年到2010年這10年間，我國(guó)集成電路產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率超過(guò)25%，集成電路銷售額的年均增長(zhǎng)率則達(dá)到23%。2010年國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)量達(dá)到640億塊，銷售額超過(guò)1430億元，分別是2001年的10倍和8倍。中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)由2001年不足世界集成電路產(chǎn)業(yè)總規(guī)模的2%提高到2010年的近9%。中國(guó)成為過(guò)去10年世界集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一。國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)規(guī)模也由2001年的1140億元擴(kuò)大到2010年的7350億元，擴(kuò)大了6.5倍。國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場(chǎng)規(guī)模之比始終未超過(guò)20%。如扣除集成電路產(chǎn)業(yè)中接受境外委托代工的銷售額，則中國(guó)集成電路市場(chǎng)的實(shí)際國(guó)內(nèi)自給率還不足10%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需的集成電路產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口。近幾年國(guó)內(nèi)集成電路進(jìn)口規(guī)模迅速擴(kuò)大，2010年已經(jīng)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1570億美元，集成電路已連續(xù)兩年超過(guò)原油成為國(guó)內(nèi)最大宗的進(jìn)口商品。與巨大且快速增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)相比，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)雖發(fā)展迅速但仍難以滿足內(nèi)需要求。

當(dāng)前以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能電網(wǎng)、新能源汽車為代表的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，將成為繼計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子之后，推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。工信部預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)集成電路市場(chǎng)規(guī)模到2015年將達(dá)到12000億元。

我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境亟待優(yōu)化，設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試以及專用設(shè)備、儀器、材料等產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同性不足，芯片、軟件、整機(jī)、系統(tǒng)、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)互動(dòng)不緊密?！笆濉逼陂g，中國(guó)將積極探索集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上下游虛擬一體化模式，充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作與協(xié)同，共建價(jià)值鏈。培育和完善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)與軟件、整機(jī)、系統(tǒng)及服務(wù)的有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)企業(yè)的群體躍升，增強(qiáng)電子信息大產(chǎn)業(yè)鏈的整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2集成電路芯片的設(shè)計(jì)與制造什么是SoC什么是CMOS芯片制造工藝流程

芯片的封裝技術(shù)國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)制造的研究現(xiàn)狀一、什么是SoC1.SoC技術(shù)的發(fā)展

集成電路的發(fā)展已有40多年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進(jìn)，現(xiàn)已進(jìn)入深亞微米，乃至納米階段。由于信息市場(chǎng)的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細(xì)加工（集成電路特征尺寸不斷縮?。橹饕卣鞯亩喾N工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)芯片的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時(shí)代，在單一集成電路芯片上就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD芯片等。在未來(lái)幾年內(nèi)，上億個(gè)晶體管、幾千萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)都可望在單一芯片上實(shí)現(xiàn)。

SoC(System-on-Chip)設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂鷣?lái)愈復(fù)雜的功能集成到單硅片上，SoC正是在集成電路(IC)向集成系統(tǒng)(IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。

2.SoC基本概念

SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也稱為片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)SoC又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。從狹義角度講，SoC是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代中期，因使用ASIC（一種為專門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路

）實(shí)現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆硅片上的想法。這種芯片，初始起名叫SystemonaChip(SoC)，直譯的中文名是系統(tǒng)級(jí)芯片。SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面：SoC的構(gòu)成；

SoC的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)器模塊、和外部進(jìn)行通訊的接口模塊、含有ADC/DAC的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊。對(duì)于一個(gè)無(wú)線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn))以及微電子機(jī)械模塊；更重要的是一個(gè)SoC

芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。SoC形成過(guò)程。SoC形成或產(chǎn)生過(guò)程包含以下三個(gè)方面：1)基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；2)開(kāi)發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用技術(shù)，特別是大容量的存儲(chǔ)模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等；3)超深亞微米(UDSM)、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)。3.SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等，此外還要做嵌入式軟件移植、開(kāi)發(fā)研究，是一門(mén)跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，一般先要進(jìn)行軟硬件劃分，將設(shè)計(jì)分為：芯片硬件設(shè)計(jì)和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)兩部分。芯片硬件設(shè)計(jì)包括：(1)功能設(shè)計(jì)階段。

設(shè)計(jì)人員產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)定一些諸如功能、操作速度、接口規(guī)格、環(huán)境溫度及消耗功率等規(guī)格，以做為將來(lái)電路設(shè)計(jì)時(shí)的依據(jù)。更可進(jìn)一步規(guī)劃軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC內(nèi)，哪些功能可以設(shè)計(jì)在電路板上。(2)設(shè)計(jì)描述和行為級(jí)驗(yàn)證功能設(shè)計(jì)完成后，可以依據(jù)功能將SOC劃分為若干功能模塊，并決定實(shí)現(xiàn)這些功能將要使用的IP核。此階段將接影響了SOC內(nèi)部的架構(gòu)及各模塊間傳送的信號(hào)，及未來(lái)產(chǎn)品的可靠性。決定模塊之后，可以用VHDL或Verilog等硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各模塊的設(shè)計(jì)。接著，利用VHDL或Verilog的電路仿真器，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證或行為驗(yàn)證

。這種功能仿真沒(méi)有考慮電路實(shí)際的延遲，但無(wú)法獲得精確的結(jié)果。(3)邏輯綜合

確定設(shè)計(jì)描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進(jìn)行綜合。綜合過(guò)程中，需要選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?kù)（logiccelllibrary），作為合成邏輯電路時(shí)的參考依據(jù)。硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)描述文件的編寫(xiě)風(fēng)格是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個(gè)重要因素。事實(shí)上，綜合工具支持的HDL語(yǔ)法均是有限的，一些過(guò)于抽象的語(yǔ)法只適于做為系統(tǒng)評(píng)估時(shí)的仿真模型，而不能被綜合工具接受。邏輯綜合得到門(mén)級(jí)網(wǎng)表。(4)門(mén)級(jí)驗(yàn)證

門(mén)級(jí)功能驗(yàn)證是寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證。主要的工作是要確認(rèn)經(jīng)綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門(mén)電路級(jí)驗(yàn)證工具完成。注意，此階段仿真需要考慮門(mén)電路的延遲。(5)布局和布線

布局指將設(shè)計(jì)好的功能模塊合理地安排在芯片上，規(guī)劃好它們的位置。布線指完成各模塊之間互連的連線。注意，各模塊之間的連線通常比較長(zhǎng)，因此，產(chǎn)生的延遲會(huì)嚴(yán)重影響SOC的性能，尤其在0.25微米制程以上，這種現(xiàn)象更為顯著。一般都用全套的cadence（搜ic5141就能找到）。cadence是一個(gè)完整的全定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括：schematiccomposer（管級(jí)設(shè)計(jì)）；spactre（仿真）；virtuoso（版圖）；calibre（版圖驗(yàn)證）等。

cadence也有半定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，常用的有NC系列。另外還常用synopsys的hspice，designvision（數(shù)字綜合工具）

另外tanner的版圖工具也是業(yè)界比較常用的。EDA工具3.SoC的發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)芯片SoC已經(jīng)成為IC設(shè)計(jì)業(yè)界的焦點(diǎn)，SoC性能越來(lái)越強(qiáng)，規(guī)模越來(lái)越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的ASIC，同時(shí)由于深亞微米工藝帶來(lái)的設(shè)計(jì)困難等，使得SoC設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提高。在SoC設(shè)計(jì)中，仿真與驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)流程中最復(fù)雜、最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%～80%，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SoC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是基于SoC開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)方法，分享IP核開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成成果，不斷重整價(jià)值鏈，在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)上，向成品率、可靠性、EMI噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)級(jí)集成能力快速發(fā)展。

當(dāng)前無(wú)論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，在SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域已展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。二、什么是CMOS

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），指互補(bǔ)金屬氧化物(PMOS管和NMOS管)共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路制造工藝，它的特點(diǎn)是低功耗。相對(duì)于其他邏輯系列，CMOS邏輯電路具有一下優(yōu)點(diǎn)：(1)允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設(shè)計(jì)(2)邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強(qiáng)(3)靜態(tài)功耗低(4)隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS期間的輸入電阻極大，從而使CMOS期間驅(qū)動(dòng)同類邏輯門(mén)的能力比其他系列強(qiáng)得多在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CMOS常指保存計(jì)算機(jī)基本啟動(dòng)信息(如日期、時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)置等)的芯片。CMOS是微機(jī)主板上的一塊可讀寫(xiě)的RAM芯片，主要用來(lái)保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。CMOSRAM芯片由系統(tǒng)通過(guò)一塊后備電池供電，因此無(wú)論是在關(guān)機(jī)狀態(tài)中，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會(huì)丟失。由于CMOSRAM芯片本身只是一塊存儲(chǔ)器，只具有保存數(shù)據(jù)的功能，所以對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過(guò)專門(mén)的程序。早期的CMOS設(shè)置程序駐留在軟盤(pán)上的(如IBM的PC/AT機(jī)型)，使用很不方便。現(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS設(shè)置程序做到了BIOS芯片中，在開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)按下某個(gè)特定鍵就可進(jìn)入CMOS設(shè)置程序而非常方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，因此這種CMOS設(shè)置又通常被叫做BIOS設(shè)置。

對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定和更新可通過(guò)開(kāi)機(jī)時(shí)特定的按鍵實(shí)現(xiàn)（一般是Del鍵）。進(jìn)入BIOS設(shè)置程序可對(duì)CMOS進(jìn)行設(shè)置。一般CMOS設(shè)置習(xí)慣上也被叫做BIOS設(shè)置。CMOS的設(shè)置內(nèi)容大致包含：(1)StandardCMOSSetup標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置：，包括日期，時(shí)間和軟、硬盤(pán)參數(shù)等。(2)BIOSFeaturesSetup：設(shè)置一些系統(tǒng)選項(xiàng)。(3)ChipsetFeaturesSetup：主板芯片參數(shù)設(shè)置。(4)PowerManagementSetup：電源管理設(shè)置。(5)PnP/PCIConfigurationSetup：即插即用及PCI插件參數(shù)設(shè)置。(6)IntegratedPeripherals：整合外設(shè)的設(shè)置。(7)其他：硬盤(pán)自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)口令，加載缺省設(shè)置，退出等三、芯片制造工藝流程

芯片設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，生成的“圖樣”晶片制作：過(guò)程的復(fù)雜封裝測(cè)試集成電路的基本制造工藝生產(chǎn)圓片（Wafer）；在圓片上制造出大量電路單元；圓片測(cè)試；按電路單元切割成基片（Die）；封裝成集成電路成品。1.芯片的原料晶圓

晶圓的成分是硅，硅是由石英沙所精練出來(lái)的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著是將些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，將其切片就是芯片制作具體需要的晶圓。

晶圓越薄，成產(chǎn)的成本越低，但對(duì)工藝就要求的越高。2.晶圓涂膜

晶圓涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力，其材料為光阻的一種3.晶圓光刻顯影、蝕刻

該過(guò)程使用了對(duì)紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過(guò)控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會(huì)溶解。這是可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。4、攙加雜質(zhì)

將晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體。

具體工藝是是從硅片上暴露的區(qū)域開(kāi)始，放入化學(xué)離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導(dǎo)電方式，使每個(gè)晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單的芯片可以只用一層，但復(fù)雜的芯片通常有很多層，這時(shí)候?qū)⑦@一流程不斷的重復(fù)，不同層可通過(guò)開(kāi)啟窗口聯(lián)接起來(lái)。這一點(diǎn)類似所層PCB板的制作制作原理。更為復(fù)雜的芯片可能需要多個(gè)二氧化硅層，這時(shí)候通過(guò)重復(fù)光刻以及上面流程來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)立體的結(jié)構(gòu)。5、晶圓測(cè)試

經(jīng)過(guò)上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個(gè)個(gè)格狀的晶粒。通過(guò)針測(cè)的方式對(duì)每個(gè)晶粒進(jìn)行電氣特性檢測(cè)。一般每個(gè)芯片的擁有的晶粒數(shù)量是龐大的，組織一次針測(cè)試模式是非常復(fù)雜的過(guò)程，這要求了在生產(chǎn)的時(shí)候盡量是同等芯片規(guī)格構(gòu)造的型號(hào)的大批量的生產(chǎn)。數(shù)量越大相對(duì)成本就會(huì)越低，這也是為什么主流芯片器件造價(jià)低的一個(gè)因素。6、封裝

將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式，宇洋這就是同種芯片內(nèi)核可以有不同的封裝形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。這里主要是由用戶的應(yīng)用習(xí)慣、應(yīng)用環(huán)境、市場(chǎng)形式等外圍因素來(lái)決定的。

7、測(cè)試、包裝

經(jīng)過(guò)上述工藝流程以后，芯片制作就已經(jīng)全部完成了，這一步驟是將芯片進(jìn)行測(cè)試、剔除不良品，以及包裝。IntegratedCircuitsCostsICcost=Diecost+Testingcost+PackagingcostFinaltestyieldDiecost=WafercostDiesperWafer*DieyieldDiesperwafer=—*(Wafer_diam/2)2

DieArea*Wafer_diam(2*DieArea)1/2Defects_per_unit_area*Die_Area

a{-a}DieYield

=Waferyield*1+DieCostgoesroughlywithdiearea4四、芯片的封裝技術(shù)

很多人對(duì)CPU、內(nèi)存以及芯片組封裝并不了解。封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安放、固定、密封、保持芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB(印制電路板)的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。因此，封裝對(duì)CPU以及其他芯片都有著重要的作用。封裝時(shí)主要考慮的因素：(1)芯片面積與封裝面積之比。為提高封裝效率，盡量接近1：1。(2)引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離盡量遠(yuǎn)，以保證互不干擾，提高性能。(3)基于散熱的要求，封裝越薄越好。1.CPU的封裝方式CPU封裝是CPU生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，從大的分類來(lái)看通常：采用Socket插座進(jìn)行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝；采用Slotx槽安裝的CPU則全部采用SEC(單邊接插盒)的形式封裝?，F(xiàn)在還有PLGA(PlasticLandGridArray)、