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1、VLSI电路与系统,课程内容：第一层次：集成电路工艺基础第二层次：CMOS数字集成电路第三层次：数字集成电路功能模块分析设计及运用第四层次：数字集成电路系统设计基础,教材及教学参考,教材&教参： 数字集成电路-电路、系统与设计电子工业出版社 CMOS超大规模集成电路设计（第四版）电子工业出版社 现代VLSI设计-系统芯片设计科学出版社 超大规模集成电路与系统导论 电子工业出版社,第一章 概论,超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated Circuit，简写为VLSI)是泛指各类通用或面向专门用途而设计制造的集成电路 VLSI的设计涉及从电子系统到集成电路制造整个过
2、程。 VLSI实现电子系统的同时隐含着知识的集成。 VLSI设计师应当具有逻辑抽象、电路技术、器件物理、加工工艺等方面的综合知识。,系统设计师(VLSI的用户)掌握了CAD工具的必要部分之后，可以在逻辑级以上的层次独立设计，以充分发挥他的知识优势和设计风格。,全新的集成电路生产和市场经营观念,VLSI生产者必须把产品的快周期开发放在首要位置，力求适时地将产品推入市场以取得优势。不能因执意追求最佳性能价格比而延误时机。 VLSI生产线承接外部设计的代理加工，已导致世界性的IC生产线集中经营的趋势和独立，分散的VLSI设计行业的兴起。,大企业已不再可能简单地凭借以雄厚财力为基础的大规模生产垄断IC
3、市场。许多有志于涉足IC的小公司凭借智力的优势在短期内也可以为自己开辟出收益颇丰的园地。,集成电路已是各类电子系统发展的基础技术,计算机的发展就直接依赖于VLSI技术。 通信技术特别是电话通信(包括有线电话和移动通信)也是受VLSI影响很大的又一领域。 信号处理技术近年来都成为集成电路特别是专用集成电路应用的重要领域。,日用电子技术和产品 军事和航天技术的发展对集成电路提出子更为苛刻和更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。,1.2 集成电路的分类,按用途分类-数字集成电路,数字集成电路是用来专门处理数字信号
4、的，各种逻辑门、触发器、存储器等电路都是数字集成电路。 数字信号是二进制信号 数字电路的工作特点是:电路输出的二进制信号与输入二进制信号有一定的逻辑关系，这个逻辑关系就称为电路的逻辑函数。,在正常的电压工作范围内，电压的幅度是被量化了的：某一电压范围代表二进制状态中的一个状态，另一电压范围则代表了另一个状态。这两个范围之何的不确定范围应尽可能小，这将使电路完全工作在非线性状态，如下图所示。,按用途分类-模拟集成电路,模拟集成电路是对随时间连续变化的模拟量(电压或电流等)进行处理(放大或变换)的一类集成电路，它通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路。 更广义些，人们把数字集成电路以外的各种集成
5、电路统称为模拟集成电路。,模拟集成电路中的各种集成化的高、低、中频放大器、差分放大器和运算放大器等属于线性集成电路。 模拟集成电路中的各种混频器，振荡器、非线性放大器，整流、检波和函数变换的集成电路则属于非线性集成电路。,按用途分类-数模混合集成电路,由于数字信号在产生、恢复、传输、储存及其处理方面较之模拟信号有许多独特优势，利用数字技术来处理模拟信号的场合愈来愈广泛。 高清晰度数字电视(HDTV)、数字录音、数字化语音通信等许多原以模拟信号处理技术为中心的领域都逐步采用了数字技术。,在这些领域内的电子系统或电子设备中同时兼有数字电路、模拟电路，模-数(AD)转换电路和数-模(DA)转换电路。
6、 在同一芯片上含有这些电路的集成电路产品通常称为数模混合集成电路。,按集成度分类,将每片含有100个元件或10个门以下的集成电路称为小规模集成电路(SSI)； 每片含有10至100个逻辑门或100至1000个元件的集成电路称为中规模集成电路(MSI)； 每片含100至 5,0O0个等效门或含有1,000至100,000个元件的集成电路称为大规模集成电路(LSI)；,每片有5,000个门或100,000个元件以上的集成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。 每个逻辑门是指一个等价二输入与非/或非门,按适用性分类-标准通用集成电路和专用集成电路。,通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的
7、标准系列产品。这类产品往往集成度高，而且社会需求量大，通用性强。 专用集成电路则是根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路，简称为ASIC。,VLSI设计技术取得突破有三方面的基础,一是器件尺寸按比例缩小理论； 二是器件缩小后新的物理机制和理论模型的建立； 三是计算机辅助设计(CAD)技术的进步。,向集成系统发展； 通用电路向专用电路发展； 设计、制造、测试等方面的自动化程度愈来愈高 高速度、高频率、大功率、低功耗、耐压高的集成电路产品亦在不断研究发展之中。,集成电路的设计过程 ：自上而下,首先确定将设计的电路具有何种性能要求，再确定体系结构，亦即将大系统划分为相对较为独立的子系统
8、，依次再进行逻辑设计、电路设计和版图设计。由于整个设计方法是自上而下形成一条链路，所以每完成一步设计都要经过仔细地模拟比较或校验，确保该步设计正确再转至下一步的设计。即使在版图设计完成之后，也还要从版图中提取参数再进行模拟比较，结果正确再交付生产制造。,图1-2是自上而下设计方法框图,集成电路的设计过程 ：自下而上,自下而上的设计过程则与自上而下的设计过程相反。 这种设计方法是充分利用工艺特性和电特性都相当成熟典型的基本电路单元，自下而上地综合设计出各种芯片产品的过程。 随着IP CORE 产品的丰富及完善，这种设计方式越来越受重视。,芯片开发设计的5个阶段,系统设计阶段； 电路设计阶段； C
9、AD设计阶段； 样片生产阶段； 批量生产阶段。,在系统设计阶段，系统设计者要提出系统的总体指标，其中包括关键功能、子系统划分、各子系统功能特点以及重要的端口特性、功率消耗、封装要求以及主要的接口要求。 既然是在系统总体规划阶段进行设计，只宜对关键特性指标作出具体规定，其余细节部分不作苛求，以利后面设计阶段有较大的回旋余地。,进行逻辑设计和基本单元电路形式的选定。 选择制造厂商，决定采用什么工艺形式(双极、MOS)和运用什么样的设计手段(全定制、门阵列，宏单元或标准单元)。 对设计结果进行优化。对优化结果再进行逻辑模拟和时序验证，以保证逻辑系统正确。 要考虑测试方法或测试模式。 表1-4列出了在
10、此设计阶段用户和厂商所要从事的工作和协调关系。,在电路设计阶段，要将上面各步的设计内容都具体化。 决定引出脚排列、封装形式 逻辑门的具体结构和数量、芯片面积、功率消耗、供电方式(单电源、双电源以及电源数值)。 输出功率、竞争条件、噪声余度、主信号通道也都是本阶段设计所要考虑的问题。 表1-5列出了这设计阶段的主要任务,CAD设计过程：需要用到逻辑模拟、故障模拟、电路模拟等许多软件程序 需要单元库或各种标准单元，布局布线软件和产生版图的软件和接口设备。所有这些软件程序和接口设备都必须和选定的制造厂商协调一致，以保证通过CAD设计的结果可以投制样片 设计师可以到集成电路制造商的汁算中心去进行设计，
11、也可以在用户自己的计算机系统或工作站上从事集成电路设计，但是这些计算机系统或工作站的软件必须与制造商协调一致。,CAD设计阶段的最终结果是记录在软磁盘或磁带上的一系列数据。 集成电路制造商根据这些数据就能制出一套掩模，用于选定的工艺线试制出电路样片。 制造商再根据用户提供的测试规范对样片进行检测并将结果通告用户。 用户在收到样片测试报告后，将硬件测试结果与原系统总体设计指标相比较，如果符合要求，就可准予批量投产。若样片结果不能令人满意则需要仔细检查问题出在哪里，如果原设计过程中有误，就得对原设计有关部分进行修改或全部重新设计。 表17列出了样片或产品制造阶段的任务,工艺选择- VLSI中常见工
12、艺特点,CMOS特点是功耗低、密度高，目前采用H_CMOS工艺，门时延已达0.Xns，是使用最为广泛的集成电路生产工艺。 ECL特点是速度极高、功耗大,需特殊冷却措施，在对速度有特别要求的地方，ECL仍是主要的制作工艺。 I2L功耗低，速度慢 TTL速度较高，功耗高,全定制设计方法,全定制设计方法有时亦称为全用户设计方法和用户设计方法。这种设计方法完全是由用户设计师根据所选定的生产工艺按自己的要求独立地进行集成电路产品设计，这样可以使所设计的电路具有尽可能高的工作速度，尽可能小的芯片面积和完全满意的封装。,全定制这种设计方法，一般也是利用标准单元或单元库进行设计。 这些单元的布置相连线都要用人
13、工布置得尽可能紧凑，所以这种设计过程要花费大量的人力物力和时间。 检验和改正设计错误也是非常艰巨的工作。,全定制设计的产品必须有非常大的产量才能使每块芯片成本下降。通用的微处理器芯片等都是以全定制设计方法设计制造的。这是因为制造厂商在设计初期就预测到这些微处理器芯片需求量极大，从而希望它们有尽可能好的工作性能和最小芯片面积。,半定制设计方法,这种设计方法是厂商以给定的工艺将硅大圆片事先制成半成品。这种半成品有时称为母片。例如做成门阵列，这些电路通常在芯片上排列成矩阵形式，相互之间尚未实现电气连接。 电路设计师根据产品要求将半成品芯片上的电路完成恰当的互连以制成产品。门阵列设计方法中通常只需设计
14、少数几张掩模来完成母片上的金属电气连接。,与全定制设计方法相比，半定制设计方法可以节省大虽时间和精力。 要开发ASIC产品用全定制设计方法太费时间或产品批量不大，用标准通用商品组件装配又不能满足要求，往往采用半定制设计方法。 ASIC的设计和生产周期大为缩短，用户可以很快得到所定制的芯片，从而使自己的产品迅速投放市场。一般5000门规模的芯片用门阵列方法可以只花半个月时间完成设计，半个月时间完成芯片的生产制造,性能提高、价格下降。例如1000个门的典型CMOS门阵列，售价约5美元。性能更好的标准单元电路产量亦增加很快，且新规格、新品种也不断涌现 计算机辅助设计系统，各式各样的工程设计工作站，无
15、论在质量、数量上，发展极为迅速。各半导体生产厂家也为用户提供越来越方便的各种设计系统，以利用户从事ASIC设计,集成电路设计与制造过程示意图,逻辑元件库，元件版图库，设计规则库等,原始思想的表达,生产集成电路芯片的过程示意图,用户可编程逻辑设计方法,近二十年，可编程逻辑器件(CPLD, FPAG)有了巨大的发展，单芯片逻辑门容量已达到1000万门以上的量级。 设计过程与半定制方法无大的差异，但最后的电路制造不需送到工厂去，只要自行使用特定的芯片编程器即可完成。,相对于前两种方法而言，该方法的资金投入最小，制造周期最短，但量产时的单片成本最高。 适合于研究型、试验性项目使用，也可在小批量生产的产品中使用。,
