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1、数字集成电路设计,第一讲 简介,教师,姓名：韩茹 联系电话：88431556 EMail：,教材,数字集成电路电路、系统与设计第二版，Jan M. Rabaey, Anantha Chandraksan, Borivoje Nikolic 著；周润德等译；电子工业出版社,基于ppt的听课方法,不正确 只听不记，过目即忘 狂记，还是来不及 自我总结，只言片语 正确 预读教材或参考书 边听边注 课后复习，整理成文 个人笔记，终身受用,IC的概念,集成电路 IC：Integrated Circuit,什么是IC？,IC的概念,按集成度分,IC的概念,IC按制造工艺分类,IC的概念,IC按实现方法分类
2、,晶体管的发明,第一只晶体管 Bell实验室 1948年,第一台自动计算机,1832年 Babbage的Difference Engine I 25,000个机械部件 总成本：17,470英镑,第一台电子计算机 ENIAC,1946年 近30吨 每秒5000次运算,第一块集成电路,Bipolar logic 1960s,ECL 3-input Gate Motorola 1966,Intel的4004微处理器,1971 1000 transistors 1 MHz operation,Intel的Pentiun IV 微处理器,Moore定律,1965年, Gordon Moore 指出：每1
3、8至24个月，单芯片上集成的晶体管数目翻一番. 他预言半导体加工工艺的效率每18个月 翻一番,Moore 定律,Electronics, April 19, 1965.,存储器复杂度的演变,晶体管数目的趋势,1,000,000,100,000,10,000,1,000,10,100,1,1975,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,8086,80286,i386,i486,Pentium,Pentium Pro,K,1 Billion Transistors,Source: Intel,Projected,Pentium II,Pentium III,微处理器
4、中的Moore定律,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Transistors (MT),2X growth in 1.96 years!,Transistors on Lead Microprocessors double every 2 years,芯片大小的变化,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,1,10,100,1970,1980
5、,1990,2000,2010,Year,Die size (mm),7% growth per year,2X growth in 10 years,Die size grows by 14% to satisfy Moores Law,Courtesy, Intel,工作频率,P6,Pentium proc,486,386,286,8086,8085,8080,8008,4004,0.1,1,10,100,1000,10000,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Frequency (Mhz),Lead Microprocessors frequency doubl
6、es every 2 years,Doubles every 2 years,Courtesy, Intel,功耗,P6,Pentium proc,486,386,286,8086,8085,8080,8008,4004,0.1,1,10,100,1971,1974,1978,1985,1992,2000,Year,Power (Watts),Lead Microprocessors power continues to increase,Courtesy, Intel,功耗将成为一个主要问题,5KW,18KW,1.5KW,500W,4004,8008,8080,8085,8086,286,3
7、86,486,Pentium proc,0.1,1,10,100,1000,10000,100000,1971,1974,1978,1985,1992,2000,2004,2008,Year,Power (Watts),Power delivery and dissipation will be prohibitive,Courtesy, Intel,功率密度,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,1,10,100,1000,10000,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Power Density (
8、W/cm2),Power density too high to keep junctions at low temp,数字集成电路不只用于微处理器,Digital Cellular Market (Phones Shipped),(data from Texas Instruments),Cell Phone,今天的IC 晶体管数目,2003年一年内制造出的 晶体管数目达到1018 个，相当于地球上所有 蚂蚁数量的100倍！,今天的IC 芯片制造水平,2003年制造芯片的尺寸控制精度已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！,今天的IC 晶体管的工
9、作速度,1个晶体管每秒钟的开关速度已超过1.5万亿次。如果你要用手开关电灯达到这样多的次数，需要2万5千年的时间！,今天的IC 半导体业的发展速度,1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞7个小时。如果航空业的发展速度和半导体业一样的话，那么今天只需花费1个便士，不到1秒钟即可到达！,今天的IC 晶体管的成本,目前制造1个晶体管的成本大约与在1张报纸上印制1个字母的成本相当！,现代IC设计特点 IC设计要求,设计正确性：IC投片费用高，难以修改，应确保一次成功 设计时间：决定了设计费用和市场竞争力。 设计成本：芯片面积，小批量开发费用，大批量成品率 产品性能: 速度、功耗、面积 可
10、测性和可靠性,Why Scaling?,新一代工艺尺寸缩小为上一代的0.7 新一代工艺下，单片可集成的功能为上一代的两倍；且芯片成本没有显著增加。 每种功能的成本降1倍。 但是 如何设计功能越来越强大的芯片? 设计工程师的数量也不可能每年增加1倍 因此，需要一种更高效的设计方法 开发不同的抽象层次,设计抽象层次,n+,n+,S,G,D,+,DEVICE,CIRCUIT,GATE,MODULE,SYSTEM,TopDown设计流程,现代IC设计特点 IC设计要素,人：需同时具备系统与微电子知识 工具：微机工作站，CAD软件EDA软件 库：工艺库，IP库,现代IC设计特点 对人才的要求,雄厚的理论
11、基础：物理，电路，数学 娴熟的实践能力：设计语言（HDL、C、Matlab），EDA软件，FPGA/DSP验证 宽广的系统知识：计算机，通信，信号处理 迅捷的自学能力：Moore定律，集成度每三年上升四倍，40年有效,本课程 的内容,集中在门级和晶体管级 结构和工艺之间的连接,1.必须有人来设计和实现模块库（标准单元库） 2.建立一个单元或模块的合适模型要求对它的内部操作有深刻的理解。 3.以库为基础的设计方法在有些情况下不太适用。 4.以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确的。（互连影响） 5.工艺尺寸的缩小会使以抽象为基础的模型的其它一些缺陷更为明显。（时钟线和电源线） 6.工艺水平提高的
12、另一个影响是新的设计问题和约束条件会不断的出现（例如：功耗，器件和互连寄生参数之间的比例变化等）,时钟对系统设计的挑战,电源分布网络对系统设计的挑战,设计的测度指标,如何评价数字电路性能的指标 (门, 模块, )? 成本（Cost） 可靠性 可扩展性 速度 (延迟, 运行频率) 功耗（Power dissipation） 执行某种功能所消耗的能量（Energy to perform a function）,集成电路的成本,固定成本（NRE (non-recurrent engineering) costs） 设计费用, 掩模板费用 生产设备、市场和销售费用 基础设施建设费用 可变成本 硅加工、
13、封装和测试费用 与产量成比例 与芯片面积成比例,Die Cost,Single die,Wafer,From http:/,Going up to 12” (30cm),每晶体管的成本,0.0000001,0.000001,0.00001,0.0001,0.001,0.01,0.1,1,1982,1985,1988,1991,1994,1997,2000,2003,2006,2009,2012,cost: -per-transistor,Fabrication capital cost per transistor (Moores law),Yield,Defects,a is approximately 3,可靠性 数字集成电路中的噪声,i,(,t,),Inductive coupling,Cap
