山东大学《集成电路设计基础》课件1

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〈集成电路设计基础〉
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第1章 集成电路设计导论
1.1 集成电路的发展 1.2 集成电路的分类 1.3 集成电路设计步骤 1.4 集成电路设计方法 1.5 电子设计自动化技术概论 1.6 九天系统综述
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集成电路
Integrated Circuit ，缩写IC IC是通过一系列特定的加工工艺，将 晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、 电感等无源器件，按照一定的电路互连， “集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化 镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电 路或系统功能的一种器件。
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❖集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线
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❖IC在各个发展阶段的主要特征数据
发展 阶段
主要特征 元件数/芯片
特征线宽(um)
速度功耗乘积 (uj)
栅氧化层厚度 (nm)
结深(um)
芯片面积 (mm2) 被加工硅片直 径(mm)
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➢ 全定制集成电路
➢ 优点：
• 所设计电路的集成度最高 • 产品批量生产时单片IC价格最低 • 可以用于模拟集成电路的设计与生产
▪ 缺点：
• 设计复杂度高/设计周期长 • 费用高
▪ 应用范围
• 集成度极高且具有规则结构的IC（如各种类型的存储器芯片） • 对性能价格比要求高且产量大的芯片（如CPU、通信IC等） • 模拟IC/数模混合IC
时序仿真 满足
版图自动 布局、布线
不满足 后仿真
满足
流片、封装、测试
功能要求
系统建模 （Matlab等）
不满足 电路仿真
满足 手工设计
版图 不满足
后仿真 满足
流片、封装、测试
VLSI数字IC的设计流图
模拟IC的设计流图
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1.4 集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach） ➢ 定制法 ➢ 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic
100-125
150
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ULSI (1990)
107-108 <1
<10-2 15-10 0.2-.01 50-100 >150
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❖Intel 公司CPU芯片集成度的发展
Intel’s CPU
Year of introduction
Transistors
4004
1971
2,250
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二、半定制方法
半定制集成电路（Semi-Custom Design Approach） ——即设计者在厂家提供的半成品基础 上继续完成最终的设计，只需要生成诸 如金属布线层等几个特定层次的掩膜。 根据需求采用不同的半成品类型。
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半定制方法
半定制的设计方法
分为门阵列（GA：Gate Array）法和门海 （GS：Sea of Gates）法两种：
门阵列（GA：Gate Array）
有通道门阵列：就是在一个芯片上将预先制造完毕的 形状和尺寸完全相同的逻辑门单元以一定阵列的形式 排列在一起，每个单元内部含有若干器件，阵列间有 规则布线通道，用以完成门与门之间的连接。未进行 连线的半成品硅圆片称为“母片”
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• “母片”的示意图：
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门海
▪ 门海（SOC：Sea-of-Gate）
▪ 无通道门阵列：也是采用母片结构，它可以将没有 利用的逻辑门作为布线区，而没有指定固定的布线
通道，以此提高布线的布通率并提供更大规模的集
成度。 ▪ 门海设计技术是把由一对不共栅的P管和N管组成的
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集成电路发展的特点：
➢ 特征尺寸越来越小（0.10um） ➢ 硅圆片尺寸越来越大（8inch~12inch） ➢ 芯片集成度越来越大（>2000K） ➢ 时钟速度越来越高（ >500MHz） ➢ 电源电压/单位功耗越来越低（1.0V） ➢ 布线层数/I/0引脚越来越多（9层/>1200）
进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 ➢ 模拟集成电路(Analog IC)：
是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ：
线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、 电压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 ➢ 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
基本单元铺满整个芯片（除I/O区外），基本单元 之间无氧化隔离区，布线通道不确定，宏单元连线 在无用器件区上进行。
现已进入到：
VLSI ULSI GSI
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集成电路的发展
年份 1989年 1993年
特征尺寸 1.0µm 0.6µm
水平标志 微米（M） 亚微米 （SM）
1997年
2001年
0.35µm
0.18µm
深亚微米 超深亚微米 （DSM） （VDSM）
表1 CMOS工艺特征尺寸发展进程
MOS IC 双极IC
SSI
<102
<100
<30
MSI
102103 100500 30100
LSI
103105 5002000 100300
VLSI 105107 >2000
>300
ULSI管数目划分的集成电路规模
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按使用的基片材料分类
Device）设计方法
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一、全定制方法
全定制集成电路（Full-Custom Design Approach）
适用于要求得到最高速度、最低功耗和最省面积的芯片设 计。 即在晶体管的层次上进行每个单元的性能、面积的优化设 计，每个晶体管的布局/布线均由人工设计，并需要人工 生成所有层次的掩膜（一般为13层掩膜版图）。对每个器 件进行优化，芯片性能获得最佳，芯片尺寸最小。
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按应用领域分类
❖ 标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大
的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会 需求量大，通用性强。 ❖ 专用集成电路
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ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功 耗较小，封装形式多样。
➢ 1950年：成功制出结型晶体管
➢ 1952年：英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路” 的设想
➢ 1958年：美国德克萨斯仪器公司制造出世界上第一块 集成电路（双极型-1959年公布）
➢ 1960年：制造成功MOS集成电路
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集成电路的发展
从此IC经历了：
SSI MSI LSI
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1.2 集成电路的分类
器件结构类型 集成度 使用的基片材料 电路的功能 应用领域
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按器件结构类型分类
双极集成电路：主要由双极型晶体管构成
NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS 晶体管(单极型晶体管)构成
NMOS PMOS CMOS(互补MOS)
双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和 MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS器件两 者的优点，但制作工艺复杂。
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按集成度分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
类别
数字集成电路
模拟集成电路
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摩尔定律
一个有关集成电路发展趋势的著名预 言，该预言直至今日依然准确。
集成电路自发明四十年以来，集成电路芯 片的集成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩 小 2 倍。 即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore 博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。
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MSI (1966)
102-103 10-5 102-10
120-100 2-1.2 <10 50-75
LSI (1971)
VLSI (1980)
103-105 5-3 10-1
105-107 3-1
1-10-2
100-40
40-15
1.2-0.5 10-25
0.5-.02 25-50
• 单片集成电路
是指电路中所有的元器件都制作在同一块半 导体基片上的集成电路。在半导体集成电路中最 常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等。
• 混合集成电路
厚膜集成电路 薄膜集成电路
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