數(shù)字集成電路

DigitalIntegratedCircuits

ADesignPerspectiveIntroductionJanM.RabaeyAnanthaChandrakasanBorivojeNikolic12WhatisanIC?3集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)集成電路產(chǎn)業(yè)是目前世界上發(fā)展最快、最具影響力的產(chǎn)業(yè)之一。為了適應(yīng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)、實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值的內(nèi)在要求，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化：最初以“全能型”企業(yè)為主體現(xiàn)在為垂直分工越來越清晰的“專業(yè)型”企業(yè)為主體4集成電路產(chǎn)業(yè)鏈

整機(jī)生產(chǎn)

IC設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)

IC制造材料制備IC封裝設(shè)備制造

IC測(cè)試

5集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演化路線6一、早期的集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)早期的IC產(chǎn)業(yè)以全能型企業(yè)為主，稱為IDM:

集整機(jī)產(chǎn)品和IC設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等生產(chǎn)全過程于一身。最早開始投資IC產(chǎn)業(yè)的IDM多為美國電子企業(yè)

德州儀器、仙童、Motorola、IBM、DECD等這些公司投資IC產(chǎn)業(yè)主要為自身整機(jī)產(chǎn)品服務(wù)

提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，爭(zhēng)奪市場(chǎng)7二、材料、設(shè)備業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品形態(tài)明晰的設(shè)備業(yè)、材料業(yè)最先從這些“全能企業(yè)”中分離出來。整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)分化為集成電路業(yè)、半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)和半導(dǎo)體材料業(yè)三個(gè)子產(chǎn)業(yè)。材料、設(shè)備業(yè)開發(fā)技術(shù)難度大，屬于基礎(chǔ)科學(xué)類開發(fā)費(fèi)用高，因此進(jìn)入門檻高。半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)被日本東京電子、荷蘭ASML等歐美企業(yè)壟斷。國內(nèi)材料業(yè)公司有：有研院、海納、新傲等。8硅納米電子學(xué)材料早期所需材料種類相比于目前很少9三、封裝、測(cè)試業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)二十世紀(jì)70年代，封裝、測(cè)試業(yè)逐漸從整個(gè)產(chǎn)業(yè)中分離出來。

封裝、測(cè)試技術(shù)已物化到了設(shè)備技術(shù)和原材料技術(shù)之中

剩下的生產(chǎn)工序轉(zhuǎn)化為勞動(dòng)力密集型工作

發(fā)達(dá)國家將封裝測(cè)試轉(zhuǎn)移到本土以外的其他地區(qū)臺(tái)灣企業(yè)在全球封裝測(cè)試產(chǎn)業(yè)中所占的比重最大，全球前5大封測(cè)廠占3席10四、設(shè)計(jì)業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)八十年代Daisy公司首先實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)CAE,集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)開始部分物化到設(shè)計(jì)工具中。隨著EDA工具的發(fā)展，庫的概念、工藝模型參數(shù)及其仿真概念的引入，IC設(shè)計(jì)開始進(jìn)入抽象化階段，使設(shè)計(jì)過程可以獨(dú)立于生產(chǎn)工藝而存在。隨著PC機(jī)的廣泛應(yīng)用，IC產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入以客戶為導(dǎo)向的階段，集成電路產(chǎn)業(yè)從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)用戶定制產(chǎn)品的時(shí)代。專門從事IC設(shè)計(jì)的公司開始大量出現(xiàn)。11

處于產(chǎn)業(yè)鏈前端的設(shè)計(jì)業(yè)被認(rèn)為地位最穩(wěn)固并可控制整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。目前，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了IC設(shè)計(jì)、芯片制造、封裝測(cè)試三業(yè)并舉及支撐配套業(yè)共同發(fā)展的較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈格局。IC設(shè)計(jì)業(yè)方面，目前以各種形態(tài)存在的設(shè)計(jì)公司、設(shè)計(jì)中心、設(shè)計(jì)室以及具備設(shè)計(jì)能力的科研院所等IC設(shè)計(jì)單位已有近上千家。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的門類已經(jīng)涉及計(jì)算機(jī)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子以及工業(yè)控制等各個(gè)整機(jī)門類和信息化工程的許多方面。中國IC設(shè)計(jì)公司遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場(chǎng)的需求。

AltoBeam高拓訊達(dá)公司大唐微電子技術(shù)有限公司北京君正集成電路股份有限公司硅谷數(shù)模半導(dǎo)體（中國）有限公司昆天科微電子圣邦微電子（北京）股份有限公司北京兆易創(chuàng)新北京京微雅格京芯博創(chuàng)技術(shù)有限公司銳迪科微電子（上海）有限公司上海貝嶺股份有限公司帝奧微電子（DIOOMicrocircuitsLtd）上海英聯(lián)電子科技有限公司展訊通信（上海）有限公司上海華虹集成電路有限責(zé)任公司格科微電子（上海）有限公司上海山景集成電路技術(shù)有限公司福州瑞芯微電子有限公司深圳市芯?？萍加邢薰径靥┛萍加邢薰竞贾輫究萍脊煞萦邢薰旧虾?fù)旦微電子深圳市海思半導(dǎo)體有限公司杭州士蘭微電子股份有限公司12五、加工業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)制造工藝水平的不斷提高，對(duì)生產(chǎn)線的投入越來越大，多數(shù)IDM無力承擔(dān)如此之高的費(fèi)用。于是只專注于芯片制造的代工企業(yè)出現(xiàn)了。1987年，全球第一家集成電路制造專業(yè)代工服務(wù)公司―臺(tái)積電（TSMC）成立。半導(dǎo)體代工陣營中的前四大企業(yè)為：臺(tái)積電（TSMC）、聯(lián)電(UMC)、中芯國際(SMIC)、特許(Chartered)以X-Fab、JazzSemiconductor為代表的企業(yè)以提供特殊Foundry服務(wù)(RF、Analog)而擁有自己的一席之地。無生產(chǎn)線的IC設(shè)計(jì)公司（Fabless）與IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成為IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要模式。13六、整機(jī)業(yè)務(wù)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)“IDM公司”從”綜合型IDM公司”中剝離出來專門從事半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試，不從事整機(jī)業(yè)務(wù)。專業(yè)型IDM公司具有更高的運(yùn)作效率。Motorola、Siemens、Philip等歐美綜合型IDM公司將半導(dǎo)體業(yè)務(wù)單獨(dú)剝離出來，分別成立了Freescale、Infineon、NXP等專業(yè)型IDM公司。日本的綜合電子企業(yè)NEC和日立公司，剝離其存儲(chǔ)器部門聯(lián)合成立存儲(chǔ)器大廠Elpida。日立、三菱的非存儲(chǔ)器部門又分離出來聯(lián)合成立瑞薩半導(dǎo)體公司14受到世界經(jīng)濟(jì)低迷影響，2012年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)同比下降了2.7%（SIA數(shù)據(jù)），為2,916億美元。國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)在寬帶提速、家電下鄉(xiāng)等宏觀政策影響下好于全球市場(chǎng)。根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2012年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為2158.5億元，同比增長(zhǎng)11.6%。其中，設(shè)計(jì)業(yè)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，銷售額為621.68億元，同比增長(zhǎng)18.1%；制造業(yè)銷售額501.1億元，同比增長(zhǎng)16.1%；封裝測(cè)試業(yè)銷售額為1035.67億元，同比增長(zhǎng)6.1%。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2012年國內(nèi)集成電路產(chǎn)量823.1億塊，同比增長(zhǎng)14.4%。

根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2012年中國集成電路產(chǎn)品進(jìn)口金額為1920.6億美元，同比增長(zhǎng)12.8%；2012年中國集成電路產(chǎn)品出口金額為534.3億美元，同比增長(zhǎng)64.1%。15

集成電路“十二五”規(guī)劃提出，國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)要在“十一五”取得的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加速發(fā)展。到2015年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2010年的基礎(chǔ)上再翻一番以上，銷售收入超過3000億元，在世界集成電路市場(chǎng)份額提高到14%以上，滿足國內(nèi)30%的市場(chǎng)需求。根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年上半年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為1155.8億元，同比增長(zhǎng)14%。其中，設(shè)計(jì)業(yè)依然增速較快，銷售額為331.7億元，同比增長(zhǎng)32.8%；制造業(yè)銷售額305.4億元，同比增長(zhǎng)10.1%；封裝測(cè)試業(yè)銷售額518.7億元，同比增長(zhǎng)6.6%。

根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2013年上半年進(jìn)口集成電路1282.3億塊，同比增長(zhǎng)19.5%；進(jìn)口金額1172.1億美元，同比增長(zhǎng)41.7%。出口集成電路714億塊，同比增長(zhǎng)50%；出口金額524.6億美元，同比增長(zhǎng)191.6%。

16“十一五”期間，雖然投資半導(dǎo)體的總投資額不少，但投資項(xiàng)目中很多都集中到了光伏電池、LED等方面，真正投在IC芯片制造線的項(xiàng)目數(shù)量稀稀松松。不但項(xiàng)目之間的數(shù)量分布和繼承性很不連貫，而且所投項(xiàng)目的市場(chǎng)目標(biāo)和工藝種類等也都十分缺乏明顯的前瞻性，而且還出現(xiàn)了在成都的芯片生產(chǎn)線投資失敗的案例。

進(jìn)入2012年以來，先后出現(xiàn)了三星西安IC項(xiàng)目，投資70億美元，工藝技術(shù)水平為12英寸硅圓片，主打產(chǎn)品為NAND

FLASH存儲(chǔ)器;

北京市與中芯國際72億美元建設(shè)兩條月產(chǎn)能各為3.5萬片、技術(shù)水平為40納米～28納米的12英寸集成電路生產(chǎn)線-2013年開始見效。

世界IC技術(shù)的新一輪進(jìn)步，3D工藝的出現(xiàn)、NAND

FLASH存儲(chǔ)器需求的突起、22納米以下最新工藝技術(shù)的進(jìn)展等，這些都是目前我國集成電路工藝技術(shù)鞭長(zhǎng)莫及的，這將重新拉開我國與世界先進(jìn)水平已經(jīng)縮短了的差距。17“國家給資金不如給政策”什么原因?qū)е铝送顿Y者的觀望和減速呢?

主要是投資越來越大、風(fēng)險(xiǎn)越來越高，許多世界級(jí)大公司都已經(jīng)快玩不起了。業(yè)界里有許多人認(rèn)為最后可能只有INTEL、臺(tái)積電和三星能夠發(fā)展下去，其余公司都有可能面臨被洗牌的考驗(yàn)。

借布局IPv6和物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)會(huì)，將其分為兩種情況，即與國家安全有關(guān)的部分和純市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)的部分。

對(duì)與國家安全相關(guān)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，如公安、金融、國防、政府網(wǎng)站及敏感信息等領(lǐng)域，參照并借用二代身份證、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、手機(jī)SIM卡等成功經(jīng)驗(yàn)和案例，把它們劃分出來，頒布特定目標(biāo)下的特別規(guī)定，把這些安全敏感的CPU規(guī)定成國家安全產(chǎn)品，從CPU研制、操作系統(tǒng)研發(fā)、整機(jī)生產(chǎn)、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)布局等方面進(jìn)行強(qiáng)制管理，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)國產(chǎn)CPU等的扶持政策，建立起中國特色的國產(chǎn)CPU知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，繞開眾多的國際知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛.18Whatisthisbookallabout?數(shù)字集成電路介紹.CMOS器件和制造工藝.CMOSInverters反相器

gate門propagationdelay傳輸延遲

noisemargins噪聲容限

powerdissipation能耗

sequentialcircuits時(shí)序電路

Arithmetic算法

interconnect互連memories存儲(chǔ)programmablelogicarrays可編程邏輯陣列

designmethodologies設(shè)計(jì)方法.學(xué)到什么?理解,設(shè)計(jì),從不同的角度優(yōu)化數(shù)字電路的設(shè)計(jì):

cost成本,

speed速度,powerdissipation能耗,reliability可靠性19DigitalIntegratedCircuits–數(shù)字集成電路IntroductionCMOS反相器Combinationallogicstructures組合邏輯結(jié)構(gòu)Sequentiallogicgates時(shí)序邏輯門Designmethodologies設(shè)計(jì)方法Interconnect:R,LandC互連Timing 時(shí)序問題Arithmeticbuildingblocks運(yùn)算功能模塊Memoriesandarraystructures存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)201.1Reviewofhistory數(shù)字IC設(shè)計(jì)與之前相比有何不同?未來會(huì)如何發(fā)展變化?21TheFirstComputerTheBabbageDifferenceEngine差動(dòng)引擎(1832)25,000partscost:￡17,470Decimals“十進(jìn)制”

“+-×÷”

Twocycle

storage

execution

Pipelining

流水線操作復(fù)雜性

成本!22ENIAC-Thefirstelectroniccomputer(1946)18,000Vacuumtube70000Resistor10000Capacitor6000RelayMooreSchool，Univ.ofPennsylvania大?。洪L(zhǎng)24m，寬6m，高2.5m速度：5000/sec；重量：30噸；功率：140kW；平均無故障運(yùn)行時(shí)間：7minUNVACIFirstcommercial23晶體管革命FirsttransistorBellLabs,1948晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓24TheFirstIntegratedCircuitsECL(Emitter-CoupledLogic)射極耦合邏輯3-inputGateMotorola1966

1949Schockley:Nesistor

雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管1956Bipolargate

雙極型數(shù)字邏輯門

1958JackKilby(TI):IdeaofIntegratedCircuit(Ge)1962TTLFairchildMicrologicfamily2526除了物理原理，很多新工藝的發(fā)明也為集成電路的發(fā)展提供了條件

50年代，美國人奧爾和肖克萊發(fā)明離子注入工藝56年，美國人福勒發(fā)明擴(kuò)散工藝60年，盧克和克里斯坦森發(fā)明外延生長(zhǎng)工藝70年，斯皮勒和卡斯特蘭尼發(fā)明光刻工藝，使集成電路從點(diǎn)接觸向平面工藝過渡

BipolarTransistors:雙極場(chǎng)效應(yīng)晶體管

JunctionFieldEffectiveTransistor(JFET):

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

Metal-Oxide-Semiconductor(MOS)Devices:

金屬-氧化物-半導(dǎo)體NPNebcNPNtransistorP-N+N+MetalP+BSDGNMOSDevicePNPSDGN-channelFETSemiconductorDevices半導(dǎo)體器件27MOSFET(IGFET)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

IsolatedGateFieldEffectTransistor

1925J.Lilienfeld(CA):apatent

;

1970’sPMOS，firstlyusedinICs;

1972,1000transistors,1MHzoperation:NMOSfasterPMOS(Intel4004);

功耗：CMOS轉(zhuǎn)變281979年

16Bit2.9萬晶體管

5到8MHz1.5μm

1985年

32Bit27.5萬晶體管

16到32MHz1μm8088Intel3861971年第一個(gè)微處理器2000多個(gè)晶體管10μm的PMOS工藝1982年286微處理器13.4萬個(gè)晶體管頻率6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz4044Microprocessor400429

1989年25到50MHz1-0.8μm

32Bit120萬晶體管Intel486Pentium1993年3月

32Bit310萬晶體管

60到166MHz0.8μm30P6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25500Ktransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD>20WtypicalpowerDissipation387pins·1999年2月，英特爾推出PentiumIII處理器，整合950萬個(gè)晶體管，0.25μm工藝制造·2002年1月推出的Pentium4處理器，其整合5500萬個(gè)晶體管，采用0.13μm工藝生產(chǎn)2002年8月13日，英特爾開始90nm制程的突破，業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅；2005年順利過渡到了65nm工藝。31

2007年英特爾推出45nm正式量產(chǎn)工藝，45nm技術(shù)是全新的技術(shù)，可以讓摩爾定律至少再服役10年。3209年32nm技術(shù)高-K（絕緣性）金屬柵極晶體管技術(shù)：業(yè)界最短的柵極長(zhǎng)度

高K材料的等價(jià)氧化物(電介質(zhì))的厚度從45納米工藝時(shí)的1納米縮小至0.9納米，柵極長(zhǎng)度縮小到了30納米，所以單位面積可以集成更多晶體管。處理器的同比封裝尺寸將是45nm產(chǎn)品的70%。業(yè)界最窄的柵極間距：晶體管的柵極間距只有112.5納米與45納米技術(shù)相比，PMOS型晶體管的漏電量減少到原來的十分之一，NMOS型晶體管的漏電量降到原來的五分之一。無效功耗降到更低的水平半導(dǎo)體晶體管技術(shù)中最為有效的晶體管驅(qū)動(dòng)電流在臨界層上使用浸沒式光刻技術(shù)，蝕刻電路更加精細(xì)和精確晶體管性能提升22%9個(gè)銅導(dǎo)線低-k互連層，更低電阻率33P-N+N+MetalP+BSDG11年22nm技術(shù)IvyBridge3-D(Tri-Gate)Tick-Tock發(fā)展模式:每?jī)赡赀M(jìn)行一次架構(gòu)大變動(dòng)——“Tick”年（奇數(shù)年）實(shí)現(xiàn)制作工藝進(jìn)步，“Tock”年（偶數(shù)年）實(shí)現(xiàn)架構(gòu)更新。343536提高單位面積晶體管的數(shù)量:可以在晶體管開啟狀態(tài)(高性能負(fù)載)時(shí)通過盡可能多的電流，同時(shí)在晶體管關(guān)閉狀態(tài)(節(jié)能)將電流降至幾乎為零，而且能在兩種狀態(tài)之間極速切換。Intel還計(jì)劃今后繼續(xù)提高硅鰭片的高度，從而獲得更高的性能和效率。顯著提升供電效率、降低能耗：全新的3DTri-Gate能夠提供同等性能的同時(shí)，功耗降低一半。新的接口極大的減少了漏電率。相比現(xiàn)在的32nm制程，處理器電壓可降低0.2V。晶體管工作在更低的電壓下，功耗也會(huì)得到顯著下降，處理器的工作頻率也會(huì)得到相應(yīng)的提高。加速移動(dòng)處理芯片的步伐摩爾定律得到延續(xù)平面晶體管數(shù)量的提升只能純粹的依靠新的工藝，Tri-Gate技術(shù)的引入，晶體管數(shù)量提升就變得非常容易，摩爾定律將會(huì)依舊成立37對(duì)ARM形成強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)！英特爾推出下一代芯片技術(shù)，在微處理器裝上更多的晶體管，并希望借此幫助公司掌握平板、智能手機(jī)市場(chǎng)的話語權(quán)。2011年底推出了采用新技術(shù)的芯片，提供給服務(wù)器和臺(tái)式機(jī)、筆記本，它還會(huì)為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)新的處理器。38未來方向：多核微處理器39AMD四核“Barcelona”處理器采用300mm晶圓，45納米技術(shù)制造4041集成電路不同發(fā)展階段的特征參數(shù)TTL電路是數(shù)字集成電路的一大門類。它采用雙極型工藝制造，具有高速度低功耗和品種多等特點(diǎn)。從六十年代開發(fā)成功第一代產(chǎn)品以來現(xiàn)有以下幾代產(chǎn)品：第一代TTL包括SN54/74系列，(其中54系列工作溫度為-55℃～+125℃，74系列工作溫度為0℃～+75℃)

，低功耗系列簡(jiǎn)稱LTTL高速系列簡(jiǎn)稱HTTL。第二代TTL包括肖特基箝位系列(STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)。

第三代為采用等平面工藝制造的先進(jìn)的STTL(ASTTL)和低功耗STTL(ALSTTL)。由于LSTTL和ALSTTL的電路延時(shí)功耗積較小，STTL和ASTTL速度很快，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。42各類TTL門電路的基本性能：43TTL電平和CMOS電平TTL電平：

輸出高電平

＞

2.4V

輸出低電平＜0.4V

輸入高電平

≥

2.0V

輸入低電平≤0.8V

噪聲容限是0.4VCMOS電平：

邏輯1電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V，且具有很寬的噪聲容限。因?yàn)門TL和COMS的高低電平的值不一，所以互相連接時(shí)需要電平的轉(zhuǎn)換：就是用兩個(gè)電阻對(duì)電平分壓。

TTL5V《＝＝》CMOS3.3V44TTL和COMS電路比較TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。TTL電路的速度快，傳輸延遲時(shí)間短(5-10ns)，但是功耗大。

CMOS電路速度慢，傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)(25--50ns)，但功耗低。CMOS電路的鎖定效應(yīng)：

CMOS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時(shí)，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。45CMOS電路的使用注意事項(xiàng)(1)CMOS電路是電壓控制器件，它的輸入阻抗很大，對(duì)干擾信號(hào)的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個(gè)恒定的電平。(2)輸入端接低內(nèi)阻的信號(hào)源時(shí)，要在輸入端和信號(hào)源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。(3)當(dāng)接長(zhǎng)信號(hào)傳輸線時(shí)，在CMOS電路端接匹配電阻。(4)當(dāng)輸入端接大電容時(shí)，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護(hù)電阻，電阻值為R=V0/1mA.V0是外接電容上的電壓。(5)CMOS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞CMOS。461.2ProblemsinDICDIn1965,GordonMoorenotedthatthenumberoftransistorsonachipdoubledevery18to24months.Hemadeapredictionthatsemiconductortechnologywilldoubleitseffectivenessevery18monthsMoore’sLaw47TheRoadmap48Moore’sLawElectronics,April19,1965.49復(fù)雜性的演進(jìn)50TransistorCounts晶體管數(shù)1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium?Pentium?ProK1BillionTransistorsSource:IntelProjectedPentium?IIPentium?IIICourtesy,Intel51Moore’slawinMicroprocessors40048008808080858086286386486Pentium?procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors(MT)2Xgrowthin1.96years!TransistorsonLeadMicroprocessorsdoubleevery2yearsCourtesy,Intel52DieSizeGrowth芯片尺寸的增長(zhǎng)40048008808080858086286386486Pentium?procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)~7%growthperyear~2Xgrowthin10yearsDiesizegrowsby14%tosatisfyMoore’sLawCourtesy,Intel53FrequencyP6Pentium?proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)LeadMicroprocessorsfrequencydoublesevery2yearsDoublesevery

2yearsCourtesy,Intel54PowerDissipation功耗P6Pentium?proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)LeadMicroprocessorspowercontinuestoincreaseCourtesy,Intel55Nano-DeviceStructureEvolution56WhyScaling?工藝減小為原尺寸0.7/代芯片功能增加兩倍;芯片成本無顯著增加單個(gè)功能的成本降低一半，但是……如何設(shè)計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)更多的功能?工程師的人數(shù)不會(huì)每年增加一倍….更有效的方法對(duì)不同層級(jí)抽象化57DesignAbstractionLevels設(shè)計(jì)的抽象層次n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM58器件電路門模塊系統(tǒng)IntelPentium(IV)microprocessor整數(shù)和浮點(diǎn)單元的很大一部分采用了一種特定的以單元為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)單元方法來設(shè)計(jì)。59Exam1:ChallengeofclockΦ(t)t(nsec)InRRoutΦΦ’00InΦΦ’δOut’OutClockErrorR工作在上升沿60確保下一個(gè)操作開始前所有的操作均已完成時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)61集成電路設(shè)計(jì)需要的知識(shí)范圍

1)系統(tǒng)知識(shí)計(jì)算機(jī)/通信/信息/控制學(xué)科2)電路知識(shí)更多的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)3)工具知識(shí)任務(wù)和內(nèi)容相應(yīng)的軟件工具工藝知識(shí)元器件的特性和模型/工藝原理和過程設(shè)計(jì)相關(guān)的參考書、期刊和會(huì)議621.3EvaluationofDigitalCircuitDesign數(shù)字設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)

NRE(non-recurrentengineering)costs固定成本designtimeandeffort,maskgeneration掩膜版制備one-timecostfactor

一次性投入:研發(fā)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等Recurrentcosts可變成本siliconprocessing硅片處理,packaging封裝,test測(cè)試proportionaltovolume與產(chǎn)量成正比proportionaltochiparea與芯片面積成正比1.3.1CostofIntegratedCircuits集成電路的成本63NRECostisIncreasing64CostperTransistor0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012cost:￠-per-transistorFabricationcapitalcostpertransistor(Moore’slaw)65DieCost芯片成本SingledieWafer12”(30cm)66劃片機(jī)67Yield成品率68Defects缺陷a

取決于制造工藝復(fù)雜性，正比于掩膜板數(shù)量，約為369Exam2:芯片成品率晶圓直徑:12inch芯片大小:2.5cm2缺陷:1/cm2α=3296-44=252dies芯片成品率:16%70SomeExamplesChipMetallayersLinewidthWafercostDef./cm2Areamm2Dies/waferYieldDiecost386DX20.90$9001.04336071%$4486DX230.80$12001.08118154%$12PowerPC60140.80$17001.312111528%$53HPPA710030.80$13001.01966627%$73DECAlpha30.70$15001.22345319%$149SuperSparc30.70$17001.62564813%$272Pentium30.80$15001.5296409%$417711.3.2可靠性-NoiseinDigitalIntegratedCircuits

Internalnoise內(nèi)部噪聲：與信號(hào)幅度成比例=>主要來源Outsidenoise外部噪聲：與信號(hào)和電源無關(guān)工藝導(dǎo)致的尺寸、參數(shù)差異=》影響電路電特性芯片內(nèi)外噪聲源噪聲：在邏輯節(jié)點(diǎn)上不希望發(fā)生的電壓和電流的變化。i(t)

Inductivecoupling電感耦合

Capacitivecoupling電容耦合PowerandgroundNoise電源線和地線噪聲v(t)VDD72

數(shù)字信號(hào)表示方法：Booleanlogic布爾邏輯VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)邏輯變量X由不連續(xù)的電荷量表示節(jié)點(diǎn)電壓可能是一個(gè)連續(xù)范圍的值額定電平-邏輯狀態(tài)：邏輯擺幅73

VoltageTransferCharacteristic(電壓傳輸特性)V(x)V(y)VOHVOLVM

VIHVILfV(y)=V(x)SwitchingThreshold門閾值電壓VS晶體管閾值電壓正常電壓水平VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)Aninverter反相器短接輸入-輸出??！74MappingbetweenanaloganddigitalsignalsVILVIHVinSlope=-1Slope=-1VOLVOHVout“0”VOLVILVIHVOHUndefinedRegion“1”TransitionWidth,TW過渡區(qū)域可接受的低電壓可接受的高電壓75DefinitionofNoiseMargins噪聲容限Noisemarginhigh高電平噪聲容限Noisemarginlow低電平噪聲容限VIH

VILUndefinedRegion不確定區(qū)"1""0"VOH

VOLNMHNMLGateOutputGateInput串聯(lián)的反相器門76RegenerativeProperty再生性RegenerativeNon-RegenerativeGainoftransitionregion過渡區(qū)增益>177Exam3:Inverterchain

Achainofinvertersv0v1v2v3v4v5v6

SimulatedresponseV0:2.1~2.9VV1:0.6~4.45VV2:VOL~VOH78Fan-inandFan-out扇入和扇出NFan-outNFan-inMMN↑=>邏輯輸出電平79TheIdealGate理想門R