大规模集成电路
大规模及超大规模集成电路特点
大规模及超大规模集成电路特点嘿，咱今天就来聊聊大规模及超大规模集成电路那些事儿啊！你知
道吗，这大规模集成电路就像是一个超级复杂的迷你城市！里面的各
种元件就像是城市里的不同建筑和设施。
比如说啊，那些晶体管就好
比是高楼大厦，承载着重要的功能。
大规模集成电路的特点那可多了去了！它的集成度超级高，就好像
把无数的东西都紧密地塞到了一块儿，还能有条不紊地工作，厉害吧？这难道不是很神奇吗？而且它的性能也特别强，就像一个超级运动员，能快速而精准地完成各种任务。
超大规模集成电路更是厉害得不得了！它就像是把好几个这样的迷
你城市组合到了一起，形成了一个更庞大、更强大的存在。
它的速度
那叫一个快啊，眨眼之间就能处理大量的数据，这可不是一般的牛啊！
想象一下，如果我们的生活中没有大规模及超大规模集成电路，那
会变成什么样呢？我们的手机还能这么智能吗？电脑还能这么高效吗？那肯定不行啊！它们就像是现代科技的基石，支撑着我们的生活变得
越来越便利。
大规模及超大规模集成电路的可靠性也很高哦，就如同一个可靠的
伙伴，一直默默地为我们服务。
它不容易出故障，能长时间稳定地工作。
在当今这个科技飞速发展的时代，大规模及超大规模集成电路真的是至关重要啊！它们让我们的世界变得更加精彩，让一切都变得有可能。
所以啊，我们可得好好珍惜它们，好好利用它们带来的便利呀！这就是我对大规模及超大规模集成电路特点的看法，你觉得呢？。
第八章 大规模集成电路
9
图8-2
RAM存储矩阵的示意图
2564（256个字，每个字4位）RAM存储矩阵的 （ 示意图。 如果X0＝Y0＝1，则选中第一个信息单元的4个 存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。
10
(2)RAM 的读写原理 （以图8－1为例） 以图8 为例） 当CS =０时，RAM被选中工作。 ０ 若 A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=000000000000 表示选中列地址为A11A10A9A8=0000 A =0000、行地址为 A7A6A5A4A3A2A1A0=00000000的存储单元。 此时只有X0和Y0为有效，则选中第一个信息单 元的k个存储单元，可以对这k个存储单元进行读出 或写入。
20
由1024×8的 RAM扩展为4096×8的RAM ×图8-11 RAM字扩展 ×
21
字位扩展 例：将1024×4的RAM扩展为2048×8 RAM。 × × 位扩展需2片芯片，字扩展需2片芯片，共需4片 芯片。 字扩展只增加一条地址输入线A10，可用一反相 器便能实现对两片RAM片选端的控制。 字扩展是对存储器输入端口的扩展， 位扩展是对存储器输出端口的扩展。
大规模集成电路从制造工艺的角度，也可以分为两大类 大规模集成电路从制造工艺的角度，也可以分为两大类: 一类为双极型，另一类是MOS型大规模集成电路 一类为双极型，另一类是 型大规模集成电路 应用大规模集成电路后，可以有效地提高电子设备的性能， 应用大规模集成电路后，可以有效地提高电子设备的性能， 可以大大减少设备的体积和重量， 可以大大减少设备的体积和重量，降低功耗
3
一、动态MOS反相器 动态 反相器
1.动态有比 动态有比MOS反相器 动态有比 反相器 2.动态无比 动态无比MOS反相器 动态无比 反相器
大规模集成电路和半导体
大规模集成电路和半导体
大规模集成电路和半导体是现代电子工业中的两个核心概念。
大规模集成电路是指在一个芯片上集成了成千上万的晶体管、电容、电阻等元件，并通过铝线或铜线相连而组成的电路。
大规模集成电路的出现，使得电子产品的尺寸大大缩小，功能强大，功耗低，成本也大幅降低。
而半导体则是大规模集成电路中最重要的材料之一。
半导体具有介于导体和绝缘体之间的电学特性，它的导电性能可以通过控制材料的掺杂和结构等方式得到调控，使得半导体器件具有开关、放大、稳压等重要功能。
半导体材料广泛应用于各种芯片、发光二极管、太阳能电池、激光器等电子器件中。
目前，大规模集成电路和半导体技术已经成为当代信息技术、智能制造、新能源等行业的基础。
未来，这两个领域的发展将会为人类带来更多的机会和挑战，推动世界经济的发展和社会进步。
- 1 -。
大规模集成电路与超大规模集成电路
大规模集成电路与超大规模集成电路
随着电子科技的不断发展，集成电路得到了极大的发展与进步，其中包括了大规模集成电路（Large Scale Integration, LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI）。
首先来介绍一下大规模集成电路。
大规模集成电路是指将上千个晶体管、电容、电阻等离散元器件集成到一块硅片上，从而产生一个功能完整的电路系统。
使用大规模集成电路，能够大幅度降低电路成本、体积和功耗，提升系统性能和可靠性，因此在计算机、电信、工业自动化等领域得到了广泛应用。
而VLSI则更加高级和复杂，它所集成的晶体管数量比大规模集成电路还要多，一般超过了10万个，甚至可以达到数千万或更多的晶体管数量。
因此，VLSI要求制造工艺更加精密和先进，也需要更高的设计和布局能力。
VLSI广泛应用于高速通讯、人工智能、计算机芯片、超级计算机等领域。
总体来说，LSI和VLSI同样具有极高的集成度和可靠性，并提供了更强大的系统性能和更高的效率。
他们的不同之处在于，VLSI要求更高的技术要求和更复杂的设计，因此适用于更多的高端技术领域。
值得注意的是，虽然LSI和VLSI在大多数领域中具有广泛应用，但是还存在着一些技术瓶颈，如制造成本和技术难度等需要不断攻克。
因此，随着电子科技的不断发展和迭代，新的集成电路技术和应用也将不断涌现。
总之，集成电路的发展已经成为电子科技领域的重要标志之一。
LSI和VLSI代表了集成电路技术的顶峰，二者的发展都在推动科技进步和人类文明的发展。
不同规模集成电路的缩写字母
不同规模集成电路的缩写字母一、小规模集成电路（SSI - Small - Scale Integration）1. 定义与特点•小规模集成电路是指在一块芯片上集成的逻辑门数量较少的集成电路。
通常包含的逻辑门数量在1到10个之间。
例如，一些简单的逻辑电路如与门、或门、非门等的组合，如果集成在一块芯片上，可能就属于小规模集成电路。
•在早期的电子设备中应用广泛，它是集成电路发展的初期阶段的产物。
由于集成度较低，电路的功能相对简单，但是它为后续更复杂的集成电路的发展奠定了基础。
2. 缩写字母的来源• “SSI”中的“S”代表“Small”，表示小的规模。
这种缩写方式简单明了地表明了集成电路的规模特性。
二、中规模集成电路（MSI - Medium - Scale Integration）1. 定义与特点•中规模集成电路的集成度比小规模集成电路有所提高。
它在一块芯片上可以集成10• 100个逻辑门。
这使得它能够实现一些较为复杂的数字逻辑功能，如计数器、译码器等。
•例如，在一些早期的数字时钟电路中，中规模集成电路就被用来实现计时和显示的逻辑控制功能。
它比小规模集成电路能够在更小的空间内实现更多的功能，从而提高了电子设备的集成度和性能。
2. 缩写字母的来源• “MSI”中的“M”代表“Medium”，表示中等规模。
这种命名方式有助于区分不同规模的集成电路，方便工程师在设计和选择电路元件时进行识别。
三、大规模集成电路（LSI - Large - Scale Integration）1. 定义与特点•大规模集成电路的集成度进一步提高，在一块芯片上能够集成100• 100,000个逻辑门。
这使得可以在芯片上实现诸如微处理器、存储器等复杂的功能模块。
•以早期的8位微处理器为例，它就是大规模集成电路的典型代表。
大规模集成电路的出现使得电子设备的体积大大缩小，性能大幅提升，并且功耗降低。
例如，早期的计算机从使用大量分立元件到采用大规模集成电路，计算机的体积从占据整个房间缩小到可以放在桌面上。
大规模集成电路设计与实现
大规模集成电路设计与实现随着科技的不断发展，大规模集成电路（Very Large Scale Integration，简称VLSI）在现代电子领域中扮演着至关重要的角色。
本文将讨论大规模集成电路的设计和实现过程，并探讨相关的技术和方法。
一、概述大规模集成电路是一种将数百到数十亿个晶体管器件集成到单个芯片上的技术。
这种技术的发展使得我们能够在一个小小的芯片上容纳巨大的功能，从而实现了电子设备的微型化和高性能化。
大规模集成电路被广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统等领域，成为现代科技的基础。
二、设计流程1.需求分析在进行大规模集成电路设计之前，首先需要进行需求分析。
这包括对电路功能、性能、功耗和成本等方面的要求进行明确和分析，为后续的设计提供方向。
2.逻辑设计逻辑设计是大规模集成电路设计的核心环节之一。
在逻辑设计阶段，设计师使用硬件描述语言（HDL）来描述电路的逻辑功能和行为。
常用的HDL语言包括VHDL和Verilog。
3.电路设计电路设计阶段是将逻辑电路转化为物理电路的过程。
在这个阶段，设计师使用标准单元库中的基本器件，如逻辑门、触发器等来搭建电路结构。
4.布局与布线布局与布线是将电路设计映射到实际芯片上的过程。
在布局阶段，将电路按照一定的规则进行摆放，以保证电路的性能和可靠性。
在布线阶段，将电路中的连线路径进行规划和布线，使得电路的信号传输效果最优。
5.验证与仿真验证与仿真是确保电路设计正确性的重要环节。
通过仿真工具，设计师可以模拟电路的运行过程，验证电路的功能性和性能指标是否达到设计要求。
三、实现方法1.全定制设计全定制设计是指根据设计要求自定义每个器件的尺寸和布局。
这种方法的优点是可以获得最佳的性能和功耗表现，但开发周期较长且成本较高。
2.半定制设计半定制设计是利用标准单元库中的器件进行设计。
这种方法相比于全定制设计具有更快的设计周期和更低的成本，但性能和功耗的优化程度可能较低。
3.可编程逻辑设计可编程逻辑设计是采用可编程逻辑器件（如FPGA）进行电路设计。
超大规模集成电路
中规模集成电路（Medium Scale Integration：MSI）
发展现状
截至2012年晚期，数十亿级别的晶体管处理器已经得到商用。随着半导体制造工艺从32纳米水平跃升到下一 步22纳米，这种集成电路会更加普遍，尽管会遇到诸如工艺角偏差之类的挑战。值得注意的例子是英伟达的 GeForce 700系列的首款显示核心，代号‘GK110’的图形处理器，采用了全部71亿个晶体管来处理数字逻辑。 而Itanium的大多数晶体管是用来构成其3千两百万字节的三级缓存。Intel Core i7处理器的芯片集成度达到了 14亿个晶体管。所采用的设计与早期不同的是它广泛应用电子设计自动化工具，设计人员可以把大部分精力放在 电路逻辑功能的硬件描述语言表达形式，而功能验证、逻辑仿真、逻辑综合、布局、布线、版图等可以由计算机 辅助完成。
2工艺偏差：由于光刻技术受限于光学规律，更高精确度的掺杂以及刻蚀会变得更加困难，造成误差的可能性 会变大。设计者必须在芯片制造前进行技术仿真。
3更严格的设计规律：由于光刻和刻蚀工艺的问题，集成电路布局的设计规则必须更加严格。在设计布局时， 设计者必须时刻考虑这些规则。定制设计的总开销已经达到了一个临界点，许多设计机构都倾向于始于电子设计 自动化来实现自动设计。
晶体管在当时看来具有小型、高效的特点。1950年代，的电路充满了期待。然而，随着电路复杂程度的提升，技术问题对器件性能的影响逐渐引起了人们的 注意。
像计算机主板这样复杂的电路，往往对于响应速度有较高的要求。如果计算机的元件过于庞大，或者不同元 件之间的导线太长，电信号就不能够在电路中以足够快的速度传播，这样会造成计算机工作缓慢，效率低下，甚 至引起逻辑错误。
大规模集成电路
9.1.2.1 RAM旳构造
经典旳RAM构造框图如图9-4所示，由地址译码器、存储 矩阵和读写控制电路部分构成。
大规模集成电路
图9-4 RAM旳构造
大规模集成电路
（1）存储矩阵 它是由大量存储单元构成旳，每个存储 单元能存储着由若干位二进制数码构成旳一组信息，存储容 量用(字线数)×（位线数）表达。存储单元在存储矩阵中排 列成若干行、若干列。例如，存储容量为1024×1旳存储器， 其存储单元可排列成32行×32列旳矩阵。基本存储电路主要 由RS触发器构成，其两个稳态分别表达存储内容为“1”或 “0”。
只读存储器（ROM）由“与矩阵”形式旳地址译码器和 “或矩阵”形式旳存储体构成，所以ROM电路旳输出能够用 来表达组合逻辑电路旳最小项“与或”体现式。利用这种措 施构成旳逻辑电路，不但节省了门电路数目，而且还具有一 定旳保密性。目前，在ROM 基础上已开发出了多种层次旳 PLD产品，以满足产品开发旳需要，尤其在多输入多输出变 量场合取得广泛应用。表9-5列出了四种PLD器件旳构造比较。
因为，任一逻辑电路旳功能均可用最小项之和体现式 （与或体现式）表达，所以，能够利用PROM实现组合逻辑电 路旳设计。
大规模集成电路
例9-1 用PROM设计一种将四位8421BCD代码转换为格雷码 旳逻辑电路。
解：首先可列出代码转换表（真值表），如表9-6所示。 根据表9-6可写出用最小项表达旳格雷码输出逻辑体现式：
2114静态RAM旳存储容量为1K×4位，其外引线端子如图 9-5所示，外形为18脚双列直插式构造，地址线为A9～A0，在 片选信号CS 和读写控制信号R /W 旳控制下，信息由四条双 向传播线I/O4～I/O1进行写入或读出操作。
CMOS大规模集成电路
晶圆制备
拉制单晶
将高纯度硅原料通过高温熔化后，在 一定的条件下逐渐生长成单晶硅锭。
切割
将单晶硅锭切割成一定厚度的硅片， 即晶圆。
研磨
去除晶圆表面因切割产生的损伤层， 使其平滑。
抛光
使晶圆表面达到镜面级别的平滑度， 减少光的反射损失，提高光刻胶的附 着性。
薄膜制备
01
02
03
氧化层
通过高温氧化，使硅片表 面形成一层致密的氧化膜， 提高表面的绝缘性能。
版图设计
将电路设计转换为可以 在硅片上制造的图形。
物理验证
检查版图设计的正确性 和可制造性，确保没有
制造错误。
可靠性验证
测试电路在不同工作条 件下的性能和可靠性。
电路设计
01
02
03
04
逻辑设计
根据系统需求，设计出满足功 能要求的逻辑门电路。
模拟电路设计
设计模拟电路，如放大器、滤 波器等。
混合信号电路设计
将模拟电路和数字电路结合， 实现复杂的功能。
低功耗电路设计
优化电路结构，降低功耗，提 高能效。
版图设计
布局规划
合理安排电路元件的位置，优化布局。
布线设计
根据电路连接关系，设计出合理的布线方案。
单元库设计
设计标准化的元件单元，便于重复使用。
层次化设计
将版图划分为不同的层次，便于管理和维护。
物理验证
集成度高
随着半导体工艺的不断进步， CMOS技术可以实现更高密度的集 成，缩小芯片尺寸，提高电路性能。
抗干扰能力强
CMOS电路的输出阻抗较低， 不易受外部噪声干扰，具有较
好的抗干扰能力。
CMOS技术的挑战
大规模超大规模集成电路特点
大规模超大规模集成电路特点一、引言集成电路是现代电子技术的基础之一，它的发展历程经历了从小规模到大规模再到超大规模的过程。
随着科技的进步和市场需求的变化，超大规模集成电路（VLSI）已经成为当前集成电路领域中最重要和最具有竞争力的领域之一。
本文将从特点方面探讨VLSI。
二、定义超大规模集成电路是指在单个芯片上集成数百万、甚至数十亿个晶体管及其相关元器件，实现高度复杂功能的芯片。
与此相对应，大规模集成电路（LSI）则是指在单个芯片上集成数千到数百万个晶体管及其相关元器件。
三、特点1. 高度复杂性超大规模集成电路具有高度复杂性，它可以在一个小小的芯片上实现许多不同的功能。
这些功能可以包括处理器、存储器、通信设备等等。
由于这些功能非常多样化并且不断发展，因此VLSI需要具备极高的灵活性和可扩展性。
2. 高密度超大规模集成电路具有非常高的密度。
由于它可以在一个小小的芯片上实现许多不同的功能，因此需要在芯片上集成大量的晶体管和其他元器件。
这些元器件需要非常小的尺寸，以便能够在芯片上容纳更多的功能。
3. 高速度超大规模集成电路具有非常高的速度。
由于它可以在一个小小的芯片上实现许多不同的功能，因此需要具备非常高的处理速度和传输速度。
这些速度需要通过优化电路设计和使用高性能材料来实现。
4. 低功耗超大规模集成电路具有低功耗特性。
由于它可以在一个小小的芯片上实现许多不同的功能，因此需要尽可能减少功耗以延长电池寿命或减少能源消耗。
这些功耗需要通过优化电路设计和使用低功耗材料来实现。
5. 高可靠性超大规模集成电路具有非常高的可靠性。
由于它可以在一个小小的芯片上实现许多不同的功能，因此需要尽可能减少故障率以保证系统稳定运行。
这些可靠性需要通过优化电路设计和使用高品质材料来实现。
四、应用领域超大规模集成电路在各个领域都有广泛的应用。
其中最常见的应用包括计算机、通信、工业控制、医疗设备等等。
在这些领域中，VLSI可以实现高速度数据传输、高效能计算、精确测量和控制等功能。
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中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
三、 LSI的分类
从应用的角 度分 通用型：如存储器、微处理器、单片机 专用型：如手机芯片、电视机芯片 PLD 从逻辑功能分 存储器 CPU 单片机
字
电
子
技 术
从制造工艺分
双极型
单极型 中北大学电子信息工程系
子
技 术
•体积大 •重量大 •功耗高
• 成本高
•可靠性差
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
二、LSI的现状和前景
数
字
电
目前，在单块硅片上集成十万个元件、器件的大规模集 成电路已广泛应用到各种电子仪器和设备中。集成电路一进 入超大规模和甚大规模阶段，如实验室用到的lattics公司的 Flex10K10系列，等效门数为10000门，另外还有Flex10K100 系列，等效门数为100000门。 近年来，随着电子设计自动化技术的发展，以及可编程 逻辑器件的广泛应用，使电子电路设计方法和手段都得到了 不断的改进和创新，也为大规模集成电路的应用开辟了新的 途径。可以预见，大规模集成电路必将越来越广泛地应用于 通信技术、计算机技术、自动控制技术等领域中，PLD的原 理和应用是每个电子工程师必备的一门技术。大规模集成电 路的制造技术和应用技术都得到了飞速发展，主要表现在以 下几个方面。 中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
四、 本章主要内容
数 1、存储器：掌握静态RAM的存储原理、 使用方法 掌握各种ROM的工作原理、使用方法。
字
电
子
技 术
2、掌握简单PLD的结构和编程原理，为以后 学习复杂可编程逻辑器件打下基础。
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数 电
子
地址的选择是借助于地址译码器实现的。容量小 技 的可以只用一个译码器，容量大的通常采用双译码 结构，即将输入地址分为两部分，分别由行译码器 术 和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储 矩阵的字线和位线，由它们共同确定欲选择的存储 单元。
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
6.2 存储器（ memory ）
数
字
电
存储 器的 分类
RAM
双极型
单极型
静态 动态
子
技 术
ROM
ROM PROM EPROM
E2PROM
闪速存储器 中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
6.2.1 读写存储器RAM（Random Access Memory）
5 、了解 CPLD 、 FPGA 、 ISP-PLD 等可编程逻辑器件 的结构和编程原理；
6、了解可编程逻辑器件的开发技术。
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
6.1 概述（summary）
字 一、用SSI和MSI构成数字系统存在的问题
电
（ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）（ 0，3）……（ 0，63）（ 0，64 ）
（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）（ 2，3）……（ 2，63）（ 2，64 ）
子
技 术
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
（1）密度越来越高 单片密度已达十万、几十万、甚至几百万门，已进入超 大规模和甚大规模阶段。 （2）用户可编程且拥有多种编程技术
字
电
子
技 术
如isp、icr。
（3）设计工具不断完善 现有的设计自动化软件即支持功能完善硬件描述语言 如VHDL、Verilog等作为文本输入，又支持逻辑电路图、 工作波形图等作为图形输入。
数
例如：1024*1的存储器，可以排列成32*32的矩阵。
字
电Leabharlann A0A1 A2 A3 A4
行 译 码 器
X0 （ 0，0）（ 0，1）（ 0，2）……（0，30）（ 0，31 ） X1（ 2，0）（ 2，1）（ 2，2）……（2，30）（ 2，31 ） X2 （ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）……（1，30）（ 1，31） X30 （30，0）（30，1）（30，2）……（30，30）（30，31 ） X31（31，0）（31，1）（3，2）……（31，30）（31，31 ）
数
1、RAM的结构
存储矩阵 地址译码器
字
电
片选及读写控制电路
子
技 术
（1）存储矩阵
每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指 存储单元的数目。
存储容量=存储单元的数目=行数*列数=字数*位数
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
（2）地址译码 一个RAM由若干字和位组成。 通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了 字 区分不同的字，将存放同一个字的各个存储单元编 为一组，并赋予一个号码，称为地址。
可读可写 特点： 读写方便 所存储信息会因断电而丢失 常用来放一些采样值、运算的中间 结果，数据暂存、缓冲和标志位等。
字
电
子
技 术
用途：
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
字
电
子
技 术
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
子
技 术
列
Y0
Y1
译
A6
Y2
码
Y30
器
Y31
A5
A7 A8
A9
中北大学电子信息工程系
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
数
例如：1024*2的存储器，可以排列成32*64的矩阵。
X0
字 A 0
电 A1 A2 A3 A4
行 译 码 器
X1 （ 1，0）（ 1，1）（ 1，2）（ 1，3）……（ 1，63）（ 1，64） X2
第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit)
基本要求
数
字
电
]、掌握RAM的电路结构、工作原理，了解静态 RAM和动态RAM的存储原理、使用方法: 2、掌握各种ROM的工作原理和使用方法; 3、掌握简单PLD的结构、编程原理；
子
技 术
4、掌握PAL、 GAL的结构、工作原理；