集成电路技术概况 - 半导体集成电路技术是现代

集成电路技术概况

陈岚

摘要本文介绍了集成电路技术的分工，指出在集成电路技术的各部分中集成电路设计技术对集成电路产品的性能、可靠性、成品率及成本等起着举足轻重的作用，并最终决定一个产品的竞争力，分析了集成电路设计技术与系统设计的关系。

关键词 集成电路设计技术，系统设计，半导体技术

前言

半导体集成电路技术是现代信息技术的核心。近几十年集成电路技术的快速发展带动了整个信息技术行业的飞速发展，使电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业, 同时也成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。可以说半导体技术的发展造就了今天信息化、网络化的数字时代。美国耶鲁大学著名半导体专家马佐平教授提出从集成电路技术规模化生产能力形成的20世纪70年代开始，人类社会进入了“硅器时代”。这形象说明了集成电路技术对现代社会的巨大推动作用。据资料统计，1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%。每l~2美元的集成电路产值将带动10美元左右电子工业产值的形成, 进而带动了100美元GDP的增长[5]。预计未来10年内,世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长, 2010年将达到6000~8000亿美元。我国集成电路市场的产量和销售在最近几年更是以30%的速度增长。产业规模从2000年到2004年的四年中扩大了3倍，在全球集成电路产业中所占份额由2000年的1.2%提高到3.7%，成为全球集成电路产业发展最快的地区。

集成电路技术涉及半导体器件物理、微电子学、电子学、无线电、光学以及信息学等学科领域的知识。从产业分工角度可以分为集成电路加工、集成电路设计以及集成电路测试封装等几方面。

集成电路加工技术

集成电路加工主要是通过物理或化学手段在硅材料上生成半导体器件（比如场效应管）以及器件之间的物理互连。这些器件以及器件之间的互连构成的电路功能要符合系统设计要求。集成电路加工技术涉及的知识包括半导体器件物理、精密仪器、光学等领域，具体应用在工艺流程中，包括注入、掺杂、器件模型、工艺偏差模型、成品率分析以及工艺过程设计等。按照使用的加工材料可以分为CMOS1工艺、SiGe2工艺、AsGa3工艺以及双极工艺等。由于可规模化生产技术的水平和价格等多方面因素，目前最常用的是CMOS工艺以及双极型工艺。衡量CMOS加工技术的主要技术指标是硅基上MOS器件的沟道长或者是1/2 metal pitch（metal pitch = 一条金属连线允许的最小宽+金属连线之间允许的最小间距）或者1/2poly pitch（poly pitch = 一条多晶允许的最小宽+多晶体之间允许的最小间距）[1]。

在近十几年的时间里，集成电路加工工艺水平一直按照摩尔（Moore）定律在快速发展。目前国际上主要的集成电路代工厂可规模化生产的加工水平已经到0.13μm，像Intel、TI以及IBM等IDM4公司的加工工艺水平已经达到90nm。按照ITRS[3]的预计到今年，80nm（1/2 pitch）的逻辑工艺可以达到规模化加工水平，到2008年逻辑工艺水平可以达到57nm 1/2 pitch[1]。

集成电路测试、封装技术

集成电路测试包括完成在硅基上产生符合功能要求的电路后对裸片硅的功能和性能的测试（中测）以及封装后的测试（成品测试）。集成电路封装是指为了防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀造成电气性能下降，为保证集成电路产品长期有效工作，为便于保存、运输以及在PCB上安装而在裸片外部加上的与自然环境隔离的保护措施。在行业中通常把测试和封装统称为集成电路后道工

1 Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体

2 Silicon Germanium 硅锗

3 Gallium Arsenide 砷化镓

4 Integrated Device Manufacturers集成器件制造商

序。

随着芯片加工工艺的进步，单芯片集成度的大幅度提高，对测试技术提出了越来越高的要求。除了机台上测试技术的研究，目前在测试技术方面针对集成电路可测性和易测性的设计技术（DFT5），从验证平台到测试平台的测试矢量转换等成为集成电路测试技术研究的热点和方向。

在集成电路封装方面，按照封装使用的管壳材料可以分为塑料封装和陶瓷封装；按照管壳形状以及管脚分布和特征又可以分为DIP、PQFP、TSOP、TSSOP、 PGA、BGA、QFP、TQFP等封装形式。由于集成电路芯片的工作频率越来越高，功耗越来越大，对封装技术，比如管壳的散热、寄生参数、电磁兼容等特性提出了更高要求。

集成电路设计技术

集成电路设计技术是集成电路技术中的软性技术，同时也是附加值最高的技术。经过集成电路设计，一片实现了特定功能的圆片（wafer）价格依据其实现的产品功能将比裸圆片的价格上升几十倍甚至上百倍。然而在集成电路产品的总成本中集成电路设计部分的成本却不是最大的开销。图1是集成电路产品从系统定义经过集成电路设计到芯片加工、封测再到产品的一个流程。

集成电路设计的任务是把系统应用定义的抽象描述转换成符合硅器件工作原理的电路结构实现(circuitry )并生成用于集成电路加工的数据（layout data）。集成电路设计技术实现的是一个核心的转换：把通讯、计算机等学科领域知识通过微电子技术转换成提高人类现实生活质量的电子类产品。如果说集成电路技术推动了整个信息技术领域的快速发展和繁荣。那么作为核心的集成电路设计技术是把现代信息技术与微电子技术结合起来的桥梁和关键。

集成电路设计技术面临两个方面的挑战，一方面集成电路加工技术按照摩尔定律6发展，但加工技术进步所提供的电路性能、单芯片集成度以及生产线产能的提高远远没有被发挥出来。目前集成电路设计能力只利用了集成电路加工工艺所创造的技术潜力的1/3左右。随着集成电路工艺水平的进步，这个差距还有加大的趋势，见图2。

5 Design For Test

6英特尔公司创始人之一戈登.摩尔1965年预言，集成电路上的原件属会不断增加，而成本却会持续降低。后来有人更进一步预言集成电路的心能价格比每18个月会翻一番，当然还有许多其它版本。

另外一方面，由于通讯、多媒体以及网络技术的发展，电子系统完成的功能越来越复杂。近十多年系统复杂度提高了几个数量级，电子系统无论从功能设计还是性能设计的复杂度都大幅度提高，对集成电路设计技术提出了巨大的挑战。过去的系统规模可能只有几万个到几十万个晶体管，芯片面积只有几个到几十个平方毫米。现在一个系统规模可能达到几亿个晶体管甚至十几亿个晶体管；片面积甚至达到了几个平方厘米；单芯片上全局连线的长度达到了十几厘米。这给集成电路设计技术带来许多新的课题。

集成电路设计是结合信息技术和半导体技术的一个桥梁，具有很强的综合性。我国集成电路设计技术水平的提高必须走与系统技术相结合的道路。计算所作为系统大所有着开展集成电路设计技术研究需求牵引。下面介绍集成电路设计与系统设计相辅相成的关系，以及目前集成电路设计技术发展状况。

集成电路设计技术与系统领域的关系

集成电路设计技术使系统设计者得以利用微电子系统实现其设计概念、性能要求并最终保证系统有效性[2]。通过集成电路设计技术可以充分发挥半导体加工制造技术创造的潜能，提高电子系统的性能，降低其成本[2]。集成电路设计技术把描述系统设计的高层数据转换成用于微电子加工的数据；同时分析和解决微电子工艺中电特性问题。图3示意集成电路设计技术与系统设计与加工技术的关系。

集成电路加工图3.集成电路设计技术与系统设计和加工技术的关系

由图3，系统级设计完成相关的系统功能定义、系统软硬件分工以及接口设计。硬件设计和软件设计可以相对独立开发。系统级硬件设计包括系统硬件功能定义、系统级功能验证、功能定义的算法设计和验证。在用硬件描述语言对符合系统功能定义的算法进行描述时需要集成电路设计和系统设计同时协同完成。

图4.集成电路设计技术与系统设计的配合

图4中系统模块的划分以及模块的算法设计都需要由集成电路设计人员参与并考虑硅实现复杂度以及电特性。在用硬件描述语言描述设计的时候，更多的要考虑电路结构特性对系统性能的影响，在描述中可以突出对硅器件实际电路结构的设计，以保证系统的功能和性能。这是与用C语言编写验证和行为模型最大的不同之处。

现代集成电路设计技术在复杂数字系统设计技术方面的最大进步是综合技术（synthesis technology）的应用和发展。综合技术（逻辑综合和物理综合）利用了类似高级语言编译的思想，用抽象的类高级语言（硬件描述语言）对电路系统行为、时序以及拓扑结构进行形式化描述，大大提高了集成电路设计人员对系统复杂度的控制能力。硬件描述语言提供在不同设计层次--行为级、寄存器传输级（RTL级）和拓扑结构（门级）--进行描述的功能。从行为级到寄存器传输级再到门级的描述是一个从较高抽象级向硅器件底层物理结构实现接近的具体化过程，直至最后产生可以直接用于制版的图形数据（GDSII或者CIF）。这很像高级语言转换成汇编直至微指令代码的编译过程。因此，综合技术在九十年代初也被称为硅编译技术（silicon compile）。

为了达到系统设计指标并且充分利用硅器件特性达到最优的性价比，在进行系统设计时，系统模块的划分以及模块算法设计需要考虑物理实现时的特性。物理实现特性包含几方面的含义：一方面，大部分采用综合技术实现的系统需要基本单元库和IP库的支持，算法的选择和模块的划分要能够充分利用基本单元库和IP库的特征和优势。另一方面，算法设计和模块划分时，需要考虑采

用的集成电路加工工艺的技术特点。比如采用深亚微米工艺时，全局连线对性能和器件可靠性的影响比微米工艺有数量级的增加，因此在模块划分时减少互连线成为更重要的考虑因素，系统模块划分有可能是面向互连的划分而不是传统面向功能的划分。第三方面，系统设计中可能存在不适合综合技术实现的功能。综合技术对于规则的具有可重复性的结构有很好的优化和实现策略，但是对于某些电路，特别是在系统对性能或者对性价比有很高要求的时候，需要电路级的直接设计。这时候硬件描述语言编写的非拓扑结构的代码只起到功能验证和功能说明的作用。比如，为了提高速度采用动态电路结构时，弥补CMOS电路延迟不对称性和提高CMOS电路速度而采用的伪NMOS结构、DCVSL结构以及C2MOS结构用目前的综合技术是无法处理和设计的。

因此，在一个系统芯片的研制过程中，系统设计和集成电路设计有很长一个阶段需要协同工作，系统方案以及算法的设计必须考虑具体实现的物理特性；同时物理实现部分必须提供准确的电气特性以及丰富的基本单元库和IP资源，甚至专门为系统设计定制单元库。

数字系统的集成电路设计分自顶向下（top down）和自底向上(bottom up)两种层次化设计方法。自顶向下的设计方法从系统设计以及系统划分和算法设计出发，以现有的物理资源为基础，设计的主导思想和主要着眼点是在满足系统需求的前提下根据现有的物理资源以及物理实现方案选择最佳的系统设计方案。而自底向上的设计方法则是以系统达到的目标为主导，如果需要就定制实现资源，而不局限于已有的单元库。随着行业设计资源的积累和丰富、硅加工成本的降低、加工工艺可以提供的单元库性能日益增强以及系统设计规模日益扩大，自顶向下的设计方法越来越多地被使用。在少数对性能有特殊要求的复杂数字系统中会用到自顶向下和自底向上相结合的办法。

集成电路设计是为系统设计服务的，必须充分考虑系统需求；而系统设计必须考虑电路设计的约束，只有通过电路设计才能充分利用硅技术提供的潜能。二者良性互动才能实现优化的设计。

集成电路设计技术研究状况

集成电路设计技术作为微电子三大技术（设计、加工、测试）之一，是技术密集度最高，也是最具有增值效应的技术。如前所述，长期以来设计技术发展远远落后于加工技术。据预测到2008年加工工艺可以达到57nm水平，集成电路设计技术将面临纳米级工艺的设计技术、功耗设计技术、可验证系统设计技术等一系列技术难题。

集成电路设计按照其所设计电路系统功能信号的特征可以分为模拟电路和数字电路两种类型。模拟电路包括各种A/D,D/A转换电路；驱动电路；射频（RF）电路；微波器件；传感器；光电器件；功率器件等。各类模拟电路使用的设计方法大的流程基本相同，不同的是对分析和计算的模型的选择以及分析精度的要求。由于SoC技术的发展，数字电路往往遇到数模混合电路设计问题，因此，下面主要以复杂系统为讨论对象。

2005年，集成电路加工行业已经推出了可以规模化生产的90nm加工工艺，集成电路技术已经进入纳米时代。在纳米工艺条件下，目前集成电路设计技术研究方向之一是可生产问题（DFM-Design For Manufacture）。DFM在微米和深亚微米级主要是针对提高成品率的设计优化技术。到了纳米级，工艺偏差等在过去工艺条件下可以忽略或不居主要地位的因素已经变成可能影响性能甚至功能的因素，需要在设计中重点考虑，如工艺偏差的建模（modeling）、考虑DFM的EDA7以及针对工艺偏差的优化设计技术等。

其次是互连技术的研究。一方面晶体管沟道尺寸的缩小降低了晶体管的延迟，互连线延迟在系统中所占比例越来越大；另外，由于集成度的提高，使全局连线越来越长，造成传输线效应越来越严重；第三，高速情况、长传输以及新材料使用情况下，需要研究新的互连线行为分析技术和尽可能的缩短互连线长度的新设计方法。

第三是电路设计可靠性问题。主要是建立针对短沟道器件的准确电学模型以保证设计结果与加工结果相符。还要在器件的电学模型中考虑电磁兼容以及亚阈值问题。这些在微米级工艺水平下可以忽略的问题，在纳米级条件下成了影响电路系统功能和性能的重要因素。

集成度的提高带给集成电路设计的另外一大问题是系统复杂性，由此产生了三个新课题：一是7 Electronic Design Automatic，电子设计自动化

功耗，二是复杂系统的系统设计技术，还有一个是复杂系统的验证和可验证性设计。

在集成度提高的情况下，功耗问题日益突出的原因在于：单颗芯片上晶体管数量的增加使单芯片功耗大大增加，功耗密度接近或突破硅片承受极限，使发热成为突出问题；同时目前移动计算的应用越来越多，移动环境对器件功耗要求更为苛刻。这就使得降低功耗的优化设计以及芯片上供电网络的设计技术成为研究的热点

伴随集成度的提高，系统规模的扩大，为了降低设计成本，降低设计风险，使用第三方IP和设计复用技术的SoC技术成为必然趋势，从而产生了许多新的研究内容。比如数模混合信号的设计、IP模块的开发和模型化技术、软硬件协同设计等。

系统日益复杂，验证系统正确性的难度越来越大，验证技术也越来越重要，从设计后验证演化到在设计开始就考虑可验证，易验证，以大大提高验证的效率，降低系统验证的难度。

目前，最先进的集成电路设计技术研究主要还是集中在美国和欧洲的大学以及研究机构。比如DFM作为一个很新的研究方向是由卡耐基梅隆大学电机（EE）系主任斯托杰沃茨（Strojwas）教授开创。许多最新的研究成果也出自斯托杰沃茨教授的研究小组。纳米级集成电路设计技术研究的最大特点是由于研究对象复杂度大大提高，对研究条件和背景提出了更高的要求。比如，DFM研究需要有集成电路加工厂的配合，而能够提供纳米级加工能力的硅加工厂世界上屈指可数，研究成本可想而知。其他的比如可验证设计技术，低功耗设计技术等都是如此。

集成电路设计技术最终表现形态

集成电路设计技术是一种方法学，主要解决将某种功能用硅器件实现时，要解决的与硅器件特性相关的电学、电磁学、几何学、光学等方面的问题。集成电路设计技术的表现形态可以是一套设计规则，设计流程，IP以及EDA工具。

EDA工具在目前的集成电路设计中承担了非常重要的角色。随着集成度和设计复杂度越来越高，要解决上千万甚至上亿晶体管的互联，使用人工的方法是不可想象的。而且，在深亚微米工艺条件下，对器件和电路的电学特性、互联线上信号行为、器件模型、时序以及功耗的分析也越来越复杂，离开EDA就无法进行。计算机辅助集成电路设计的发展历程经历了三个阶段。从简单的辅助版图设计的图形编辑和版图验证软件（CAD），到辅助布局布线、具有电学仿真等功能的CAE(Computer Aided Engineer)以至现在的基于硅编译技术、逻辑综合技术的电子系统设计自动化EDA(Electronic System Design Automation)。

EDA技术发展今天，已经成为承载集成电路设计方法学的一个重要和主要的载体。许多最先进的集成电路设计方法学都将以EDA工具的最终形式表现并被业界应用。比如在高速复杂数字电路设计中使用的信号完整性分析方法；可以高速处理体现亚阈值寄生效应的器件模型运算的仿真方法；静态时序分析方法等，都可以通过算法、计算机辅助设计技术以EDA工具的方式表现并应用于实际的设计中。

在一个全流程的EDA工具包中包含实现和验证两个领域的方法学。实现方法包括逻辑综合、物理综合、布局布线、版图设计等技术。验证方法包括功能验证、动态仿真、静态时序分析、寄生参数提取、信号完整性分析、功耗分析、物理验证等技术和可靠性分析。目前借助EDA工具提供的设计方法学已经可以解决大部分集成电路芯片设计的80%到90%的设计问题。对作为系统验证手段的集成电路芯片，其设计和验证借助EDA工具，使用这80%到90%的设计方法学也就足够了。但是，作为产品的集成电路芯片的设计验证，仅靠EDA工具提供的方法学就显得不够，特别是在可靠性、可生产性以及可测试性方面。用于发现和定位生产造成的故障的可测试性设计方法学的研究已经有多年，目前一些成果已被抽象成为一定的设计规范集成到EDA工具中。比如mentor graphic 的TestKompress, Fastscan, MbistArchitect；Synopsys公司的DFT compiler等工具。

对于在纳米工艺下的可生产性问题，以及大面积芯片和高速芯片设计中遇到的可靠性设计问题，目前还主要靠具体的设计方法，借助EDA工具作分析来完成。而可测试性、可靠性以及可生产性是衡量一款集成电路芯片产品的一个重要的方面。也就是说这剩下的20%到10%的技术决定了一款产品是否成功。

在这里要强调，对于芯片设计来说，量产和试流片生产是完全不同的概念，二者对于集成电路

设计技术的要求是有所区别的。芯片的试流片主要是用来验证芯片的功能和部分性能是否符合设计指标，不太考虑成品率和可靠性的问题，也可以不考虑芯片设计的鲁棒性，但是对于量产，这些都是必须重点考虑的。成品率直接影响产品的成本。提高芯片生产的成品率除了对工艺一致性要考虑之外，有时候需要从电路结构设计上进行原始创新，来增加电路对工艺偏差以及仪器设备误差的容忍。很多情形下芯片的寿命和工作的稳定性可以决定产品的生命力。芯片产品的寿命和工作稳定性取决于芯片噪声容限、电迁移（EM8）、电磁兼容、电源供电网的设计。目前EDA工具只提供了这一部分问题相应的分析手段，设计方法主要还是通过经验完成。一款芯片产品的竞争力是由多个方面的技术水平决定，应用领域采用的新技术、先进的算法决定了产品在功能和性能方面的竞争力，集成电路设计技术则在芯片产品的性能、成本方面起到决定性作用。目前我国的集成电路设计行业缺乏的正是影响芯片产品竞争力的降低成本，提高可靠性方面的设计技术。

结束语

集成电路设计技术是现代信息技术的基础，从前面的论述中也能看到，集成电路技术和各类信息应用技术相辅相成，应用技术的发展需要集成电路技术作为基础技术，反过来，集成电路技术的发展需要应用技术需求的牵引。要使我国信息技术特别是集成电路技术健康持续发展，系统技术领域与集成电路领域的人员必须加强合作。

参考文献：

[1]ITRS 2002 design;

[2]ITRS 2003update design;

[3]ITRS 2004update overview and summaries;

[4]王阳元，21世纪硅微技术展望；

[5]关于呈送《关于加快我国微电子产业发展的建议》的报告

作者简介：

陈岚： 博士，中国科学院计算技术研究所研究员。计算所苏州分部副总经理