《vlsichapter01教学文案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《vlsichapter01教学文案（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、*第1章 VLSI概论1*第1章 VLSI概论2讲课教师：蔡世民办公室：主楼-A2-401手 机：18328450991email:*第1章 VLSI概论3 参考书:蔡懿慈，超大规模集成电路设计导论，清华大学出版社夏宇闻，从算法设计到硬线逻辑的实现-复杂数字逻辑系统的 Verilog HDL设计技术和方法，高等教育出版社丁嘉种等，可编程逻辑器件PLD，学苑出版社郭炜 等，SoC设计方法与实现，电子工业出版社教材：大规模集成电路原理与设计甘学温，贾嵩，王源，孙雷机械工业出版社，2010年1月*第1章 VLSI概论5集成电路产业发展现状 计算机和通信是信息社会的两大支柱，集成电路设计是计算机和通信
2、的核心技术。以集成电路为核心的电子信息产业已成为世界第一大产业。 目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关。世界范围内集成电路销售额以年平均15%的速度增长，2010年达到6000亿美元。 现代经济发展的数据表明，每l2元的集成电路产值，带动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元GDP的增长。 如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路则高达2000。1.0 全世界半导体市场*第1章 VLSI概论6最早的“计算器” 算盘1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论7 第一个自动计算器（1832年）T
3、he BabbageDifference Engine(1832)25,000 partscost: 17,470 1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论8诞生于美国宾夕法尼亚大学，18000电子管，6000继电器，7000个电阻，10000个电容，重30吨，30米长，功率174KW。时钟频率100KHz，平均正常工作时间2.5小时。1.1 集成电路发展史1904年：英国电气工程师Fleming发明真空二极管，标志着世界从此进入了电子时代。1906年：美国人Lee De Forest 发明真空三极管，为电子计算机的发展奠定了基础。ENIAC 第一台电子计算机 (1946年)*第1章 VL
4、SI概论9 1940年贝尔实验室Russel Ohl发现PN结 1947年底贝尔实验室Willam Shockley、John Bardeen和 Walter Brattain 发明点接触晶体管（ point contact transistor）1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论10 1951年贝尔实验室William Shockley 发明了更实用的结型晶体管（junction transistor），不久用于电话上。 1956年，William Shockley ，John Bardeen和Walter Brattain 获得Nobel物理奖。1.1 集成电路发展史*第1章 V
5、LSI概论11 1958年 - 发明集成电路 集成电路：采用一定的制造工艺，把整个电路的元器件制作在同一块半导体基片上，构成特定功能的电子电路。 1958年9月, Texas Instruments（简称TI）公司Jack Kilby用5个集成元件做出了简单振荡器, 1959年2月申请专利。1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论12 1959年 发明平面工艺技术 1959年7月Fairchild公司Robert Noyce结合其同事Jean Hoerni发明的刻蚀氧化硅工艺,在电路上淀积金属薄层进行电路连接, 使复杂集成电路成为可能，1961年制造出第一块双极型集成电路。2000年，Ja
6、ck Kilby， Robert Noyce获得Nobel物理奖。1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论131.1 集成电路发展史Bipolar logic1960sECL 3-input GateMotorola 1966*第1章 VLSI概论141960年: Bell实验室Kahng和Atalla造出第一个MOSFET 栅极：Al 沟道长度：25m 栅氧层厚度：100nm1.1 集成电路发展史1963年第一块MOS集成电路同年，Wanlass和Sah，实现CMOS集成电路*第1章 VLSI概论151967年：Bell实验室的Kahng和Sze发明浮栅（Floating gate）技术
7、 存储单元用浮栅技术实现二进制数据存储1.1 集成电路发展史器件截面图浮栅源极衬底栅极漏极nptoxtoxn*第1章 VLSI概论16 1970 年： Intel公司1K bits DRAM芯片工艺：硅栅PMOS工艺特征尺寸：8m芯片面积：10mm2资料来源：Intel1.1 集成电路发展史1968年一个伟大的公司诞生-Intel，R. Noyce和G. Moore*第1章 VLSI概论17 1971年：Intel 4004工艺：硅栅 PMOS工艺特征尺寸：10m晶体管数：2300个时钟频率：108KHz芯片面积：13.5mm2资料来源：Intel1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论1
8、8Intel 8080Intel 8080Intel 80286Intel 80286Intel 8086/8088 Intel 80386Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium ProIntel Pentium IIIntel Pentium III资料来源：Intel1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论19时间微处理器工艺特征尺寸芯片面积晶体管数时钟频率1974年Intel 8080NMOS,1P1M6m20.0mm26,0002MHz1978年Intel 8086/8088NMOS,1P1M3m28.6mm229,0004.7-10MHz198
9、2年Intel 80286CMOS,1P2M1.5m68.7mm2134,0006-12MHz1985年Intel 80386CMOS,1P2M1.5m104mm2275,00016-33MHz1989年Intel 80486CMOS,1P3M1.0m163mm21.2M25-50MHz1993年Intel PentiumBiCMOS,1P3M0.8m264mm23.2M60-66MHz1995年Intel Pentium ProBiCMOS,1P4M0.35m310mm25.5M150-200MHz1997年Intel Pentium CMOS,1P4M0.35m209mm27.5M233-
10、300MHz1999年Intel Pentium CMOS,1P6M0.18m140mm228M500-733MHz1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论202000年：Intel Pentium 4工艺：硅栅 CMOS工艺，1层多晶，6层金属特征尺寸：0.18m晶体管数：42M时钟频率：1.4-1.5GHz 芯片面积：224mm2资料来源：Intel1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论212005年5月： 奔腾D 双核处理器2006年7月： 安腾2双核处理器，2007年1月， 酷睿2双核微处理器2007年-至今：酷睿2双核、四核成为主 流微处理器1.1 集成电路发展史*第1章
11、VLSI概论22我国集成电路的发展 1956年研制出第一个锗晶体管 1965年制成了第一片集成电路我国集成电路生产能力方面 1993年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。 2000年生产的集成电路为58.8亿块，国内集成电路市场总用量为240亿块，国内市场占有率为24.5 。绝大部分依靠进口。 2005年生产的集成电路为288亿块，国内集成电路市场总用量为830亿块，国内市场占有率为34.7 。 总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相比大约落后1015年。 1.1 集成电路发展史*第1章 VLSI概论23Who
12、are They? J. Fleming Lee de Forest W. Shockley Jack S. Kilby Gordon Moore1.2 集成电路发展史*第1章 VLSI概论24Electronics, April 19, 1965.1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论25Moore定律（Moores Law）：1965年, Gordon Moore 注意到单块芯片上的晶体管数目每18至24个月（1.5年至2年）翻一倍。他预见半导体工艺将在每18个月更新一代。 代的含义 特征尺寸与集成度 特征尺寸：0.7x，意味着集成度x2 性能与功能 速度：2x 芯
13、片尺寸与面积 芯片尺寸：1.5x，意味着芯片面积x2 成本 单位功能成本0.7x/年1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论26存储器容量的增长趋势存储器容量每18个月翻一番！1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论27微处理器晶体管数的增长趋势40048008808080858086286386486Pentium procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors (MT)每1.96年翻一倍!最先进微处理器的晶体管数目每两年翻一倍！资料来源:Intel1.2 摩尔定律(M
14、oores Law)*第1章 VLSI概论28微处理器工作频率的增长趋势P6Pentium proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency (Mhz)每两年翻一倍资料来源: Intel最先进微处理器芯片的工作频率每两年翻一倍！1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论29微处理器单个芯片尺寸的增长趋势40048008808080858086286386486Pentium procP611010019701980199020002010YearDie s
15、ize (mm)7% growth per year2X growth in 10 years资料来源: Intel微处理器单个芯片尺寸每年增长7%，每10年增长两倍！1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论30每个晶体管的成本0.00000010.00000010.0000010.0000010.000010.000010.00010.00010.0010.0010.010.010.10.11 11982198219851985198819881991199119941994199719972000200020032003 20062006200920092012201
16、2单位：美分单位：美分每个晶体管的制造投资（符合摩尔定律）1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论31自20世纪70年代以来，集成电路一直遵循摩尔定律今后集成电路的技术进步，仍将继续遵循摩尔定律硅仍然是制造集成电路的主要材料世界集成电路至少还有10年的高速增长期1.2 摩尔定律(Moores Law)*第1章 VLSI概论321 按集成电路规模分类小规模集成电路(Small Scale IC，SSI )：108门2 按制造工艺分类双极ICCMOS ICBi-CMOS IC1.3 集成电路的分类*第1章 VLSI概论333 按处理的信号类型分类模拟集成电路数字集成电路数模混合集成电路射频集成电路系统级芯片4 按设计方法分类全定制设计半定制设计可编程设计5 按生产的目的分类通用集成电路专用集成电路（ASIC）1.3 集成电路的分类*第1章 VLSI概论34 Design Manufacture Testing Packaging EDA ToolsComputer Design Design Manufacture Packaging Testing1.4 集成电路产
