第二讲专用集成电路概念与设计流程
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• 最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品。
• 是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非 常高，波动幅度极大。
• 资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏， 不易控制。
• 市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力，
• 是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资 者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉 重，但效益也是半导体产业中最高的。
欧洲 仅剩下德国的英飞凌(Infineon)，市场占有率 2000年 窜升至第四。06年剥离其存储器事业部 门成立Qimonda，为全球第三大厂。
韩国 DRAM位居全球首位。三星蝉联冠军。现代及 LG合并而成的Hynix，是全球DRAM第二大厂。
台湾 也有4家公司入围世界10大DRAM公司之列。
浙大微电子
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12
2.1 DRAM
DRAM存储器起源于Intel公司，后日本、韩国及 中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄 今为止依然是这些国家和地区的主打产品。
– 因为日本企业的逐渐强大，Intel在1985年宣布退出存 储器领域，转而集中发展微处理器。
– 因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全 球半导体产业之首，独占世界市场50％以上，并维持 7年之久。
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19
PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片
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20
整体电路图 高压输出 高低压转换 移位锁存
3 3 3
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21
高压输出电路部分
浙大微电子
22
高低压转换接口电路
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23
移位寄存器和锁存器
浙大微电子
24
整体版图
A B C
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25
高压输出电路版图
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26
高低压转换接口部分的版图
–y
– n 为每一大园片上的芯片数 (chip 数 / wafer)
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42
降低成本的方法
1. 增大V, V=y×n×w
当批量V做得很大时, 上式前二项可以忽略, 成本主要由生产加工费用决定。
• 增大y:
– 缩小芯片面积,因为当硅片的材料质量一定时, 其上的晶格缺陷数也基本上是确定的。一个 芯片上如果有一个缺陷, 那芯片功能就难以保 证。芯片做得越小, 缺陷落在其上的可能性也 就越小, 成品率就容易提高。
• 与通用CPU领域的“独大”局面不同，嵌 入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。
• 与通用型CPU主要使用x86或PowerPC两 类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心 架构还包括MIPS、ARM、SuperH等。
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8
1.2 微控制器（MCU）
MCU是各种自动控制系统的核心，
• 是最早的SoC，它将CPU、RAM、ROM、 定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯 片上，形成系统级芯片。
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6
通用型微处理器
• 高垄断：整个行业的PC市场基本被Intel、AMD两家所控
制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域 的一部分市场。
• 高技术：通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高， 对
最先进的IC工艺需求十分迫切，高端CPU已进入45 nm工 艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延 时问题，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到 目标。
第二讲专用集成电路概念与设计流程
专用集成电路(IC)概念
• 通用集成电路:
– 市场上能买到的 IC
• 专用集成电路 (ASIC)
– 市场上买不到、需要自己设计实现的 IC
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2
1. 微器件（Micro Device）
微器件由三部分器件构成
1.1 微处理器（MPU）
通用型、嵌入式
1.2 微控制器（MCU）
Spectre Hspice
Virtuoso
版图验证 Diva 及参数提取 Dracula
Calibre Laker
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35
数字IC设计流程
前端设计
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36
后端设计
浙大微电子
37
数字集成电路设计常用工具
公司
Cadence Synopsys
逻辑仿真 NC-Sim VCS
逻辑综合
Designcompiler
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31
特殊工艺器件的设计流程
浙大微电子
32
常用的TCAD软件工具
所属公司
Synopsys ISE(瑞士) 被Synopsys 公司收购 SILVACO
Sentaurus
Synopsys
工艺仿真 Tsuprem4 DIOS
Athena Process
器件仿真 Medici
MDRAW，器件生成 DESSIS，器件仿真
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27
移位寄存器和锁存器版图
浙大微电子
28
移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）
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29
三、常用半导体制造工艺
• IC制造工艺
– 数字IC电路（ CMOS工艺） – 模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺） – 数模混合信号IC电路（ CMOS、BiCMOS工艺） – 电源相关功率IC电路（ BCD工艺）
• ASIC制造常用工艺（um）
– 标准CMOS工艺（0.5，0.35，0.25，0.18，0.13）
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30
四、ASIC设计流程
• 特殊器件的设计流程 (Device 工艺) • 模拟电路设计流程 (Analog 工艺) • 数字电路设计流程（Logic 工艺） • 数/模混合电路设计流程 (Mixed-signal 工艺)
– 在电路设计级 – 在器件设计级 – 在版图设计级
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40
器件结构/电路形式对速度、功耗的影响
• 器件结构对速度、功耗的影响
– 双极型器件速度快, 但功耗大; – MOS型器件功耗低, 但速度相对也低。
• 电路形式对速度、功耗的影响
– 同是双极型器件，ECL电路快于TTL电路（后 者器件进入深饱和区而前者只达临界饱和点）
定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能
• 逻辑电路主要包括
– 通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、DFF、MUX…） – 现场可编程逻辑器件（FPLD） – 数字双极电路
• 逻辑电路 与存储器、微处理器 一同构成了三种
基本的数字电路类型。
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16
4.模拟电路
模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自 然模拟信号的集成电路产品。
Atlas
Structure Editor Device
特点
国内业界广泛 使用
国外业界广泛 使用
图形界面 操作简单易学 提供模型参数 数据库和小尺 寸模型
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33
模拟IC设计流程
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34
模拟集成电路设计常用工具
公司
电路图 仿真 版图绘制
Cadence Synopsys Mentor Spring Graphics Soft
布局布线 SE
Astro
Encounter
时序验证 Pearl
可测性设计
DFTCompiler
TetraMAX
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Mentor Spring Graphics Soft Modelsim
Laker
38
五、ASIC设计关注的主要数据
• 元件数/芯片– 1000万晶体管/Die, 100门/Die • 芯片面积(mm2) – 1-100mm2 • 硅片直径(mm) –20mm ( 8英寸)/wafer • 特征线宽(μm) – 0.18μm, 90nm /CD • 工作电压(V) – 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V • 功耗（mW）– 16mW, 1.3mW, 6.5mW • 速度（MHz） – 高速电路(数字), 时钟800 MHz • 频率（GHz） – 射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz • 速度功耗乘积(μJ) -- 1pJ/单位量化电平
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39
关于性能 --速度功耗积
• 衡量超大规模IC产品设计水平的重要标志 • 在ASIC设计的每一步, 都有对产品速度、功耗进行
决择、控制的能力(速度、功耗是一对矛盾)
– 在系统设计级：算法的确定非常重要, 并行算法速度快但 功耗大；串行算法则反之。
– 在逻辑设计级：是否采用诸如超前进位链之类的附加电 路，对芯片速度的影响也非常明显
– 同是MOS型器件，CMOS电路功耗低于单纯 NMOS或PMOS电路（后者有静态功耗而前者 无静态功耗）
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41
六、ASIC成本
• 每个芯片(chip)的成本可用下式估算: 总成本 = 设计成本 + 光罩成本 + 制造成本
(暂不考虑封装测试成本)
• 其中Ct
– Cd 为设计成本， Cm – Cp 为每片wafer – V 为总产量
• 与微处理器分类一样，DSP也分为通用DSP 与嵌入式DSP两类。
• 通用DSP的主要市场在于通信应用。 • 嵌入式DSP则应用广泛，包括DVD播放机、
机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数 码相机和汽车电子等。
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11
2.存储器（Memory）
主要包括DRAM和Flash（闪存）两大类产品。
• TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球 五大供应商位置。
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18
二、专用集成电路及其发展趋势
• 新电路的设计与实现 • 对已有电路或系统的集成改造
– 体积缩小 – 重量减轻 – 性能提高 – 成本降低 – 保密性增强
• ASIC的进一步发展，以及IP核的复用技术， 促成了SoC (System on a Chip) 的问世以及 SiP (System in a package) 概念的提出。
14
1.2 Flash(闪存)
是一种非易失（非挥发）性存储器，用于
– 数码相机 – MP3 – 移动电话 – 移动多媒体等
目前已采用45纳米工艺制程，其基本存储单 元为叠栅型CMOS结构。
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15
3.逻辑电路
• 逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。 • 提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、
常用模拟 IC
– 电源系列（AC/DC, DC/DC, LDO ） – 运算放大器（OPA） – 比较器（Comparator） – 数据转换接口（ADC, DAC） – 高速串并转换接口 – 功放（PA） – 模拟滤波器（Filter） – 模拟开关（Switch） – 驱动IC（Driver）
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43
降低成本的方法(cont.)
3. 增大n:
– 增大wafer尺寸( 2英寸 4英寸 5英寸 8英寸 12英寸…)
这种方法需要工艺设备更新换代的支持, 工艺设备的更新 换代反过来使每一大园片的加工成本Cp也有所提高
– 减小芯片面积, 使得在相同直径的大圆片上可 以做更多的芯片电路
4、8、16、32位
1.3 数字信号处理器（DSP）
通用型、嵌入式
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5
1.1 微处理器（MPU）
通用来自百度文库微处理器
– PC机或工作站、服务器等的CPU，具有 高 垄断、高技术、高利润、高风险 等特征。
嵌入式型微处理器
– 嵌入式CPU的基础是通用型CPU，本质上与 通用CPU的区别不大，只是在各种不同的应 用中仅保留与具体应用有关的功能，去除冗 余的功能。
• 对系统的显示器、键盘、传感器等外围进 行控制。
• 市场的产品生命周期很长（汽车中3到10年， 家电中5年）。运用的软件及操作系统也不 太会更换，这些都有别于MPU市场。
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9
4、8、16、32位元MCU市场出货量
数据来源：In-Stat，2006
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10
1.3 数字信号处理器（DSP）
17
模拟电路产品特点
• 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工 具少、测试周期长。
• 数字IC强调运算速度与成本，模拟IC强调高信噪 比、低失真、低功耗和稳定性。
• 主要的工艺有CMOS，BiCMOS和BCD工艺，在 高频领域还有SiGe和GaAs工艺。
• 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有 持续获利的前景。
• 高利润：以Intel处理器为例，其产品享受着30~40%的高
额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有5％的利润。
• 高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必
然承受高风险这个代价。
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7
嵌入式CPU
• 嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电 子、工业设备等，是一个应用高度分散， 不断创新的产业。
– 同样因为韩、台在DRAM领域的相继崛起，美国称霸 微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位 又逐渐下降，近年已仅占20％。
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13
DRAM现状
美国 TI、Motorola已完全退出DRAM存储器产业， IBM亦淡出，仅剩下全球市占率第四的美光 （Micron）独撑大局
日本 东芝、富士通、日立等均退出DRAM市场，日立 与NEC整合成立尔必达（Elpida）公司，成为全 球第五大存储器厂商。
• 是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非 常高，波动幅度极大。
• 资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏， 不易控制。
• 市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力，
• 是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资 者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉 重，但效益也是半导体产业中最高的。
欧洲 仅剩下德国的英飞凌(Infineon)，市场占有率 2000年 窜升至第四。06年剥离其存储器事业部 门成立Qimonda，为全球第三大厂。
韩国 DRAM位居全球首位。三星蝉联冠军。现代及 LG合并而成的Hynix，是全球DRAM第二大厂。
台湾 也有4家公司入围世界10大DRAM公司之列。
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2.1 DRAM
DRAM存储器起源于Intel公司，后日本、韩国及 中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄 今为止依然是这些国家和地区的主打产品。
– 因为日本企业的逐渐强大，Intel在1985年宣布退出存 储器领域，转而集中发展微处理器。
– 因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全 球半导体产业之首，独占世界市场50％以上，并维持 7年之久。
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PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片
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整体电路图 高压输出 高低压转换 移位锁存
3 3 3
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高压输出电路部分
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22
高低压转换接口电路
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移位寄存器和锁存器
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整体版图
A B C
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高压输出电路版图
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高低压转换接口部分的版图
–y
– n 为每一大园片上的芯片数 (chip 数 / wafer)
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降低成本的方法
1. 增大V, V=y×n×w
当批量V做得很大时, 上式前二项可以忽略, 成本主要由生产加工费用决定。
• 增大y:
– 缩小芯片面积,因为当硅片的材料质量一定时, 其上的晶格缺陷数也基本上是确定的。一个 芯片上如果有一个缺陷, 那芯片功能就难以保 证。芯片做得越小, 缺陷落在其上的可能性也 就越小, 成品率就容易提高。
• 与通用CPU领域的“独大”局面不同，嵌 入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。
• 与通用型CPU主要使用x86或PowerPC两 类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心 架构还包括MIPS、ARM、SuperH等。
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8
1.2 微控制器（MCU）
MCU是各种自动控制系统的核心，
• 是最早的SoC，它将CPU、RAM、ROM、 定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯 片上，形成系统级芯片。
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6
通用型微处理器
• 高垄断：整个行业的PC市场基本被Intel、AMD两家所控
制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域 的一部分市场。
• 高技术：通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高， 对
最先进的IC工艺需求十分迫切，高端CPU已进入45 nm工 艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延 时问题，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到 目标。
第二讲专用集成电路概念与设计流程
专用集成电路(IC)概念
• 通用集成电路:
– 市场上能买到的 IC
• 专用集成电路 (ASIC)
– 市场上买不到、需要自己设计实现的 IC
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1. 微器件（Micro Device）
微器件由三部分器件构成
1.1 微处理器（MPU）
通用型、嵌入式
1.2 微控制器（MCU）
Spectre Hspice
Virtuoso
版图验证 Diva 及参数提取 Dracula
Calibre Laker
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数字IC设计流程
前端设计
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36
后端设计
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37
数字集成电路设计常用工具
公司
Cadence Synopsys
逻辑仿真 NC-Sim VCS
逻辑综合
Designcompiler
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特殊工艺器件的设计流程
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32
常用的TCAD软件工具
所属公司
Synopsys ISE(瑞士) 被Synopsys 公司收购 SILVACO
Sentaurus
Synopsys
工艺仿真 Tsuprem4 DIOS
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器件仿真 Medici
MDRAW，器件生成 DESSIS，器件仿真
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移位寄存器和锁存器版图
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移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）
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三、常用半导体制造工艺
• IC制造工艺
– 数字IC电路（ CMOS工艺） – 模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺） – 数模混合信号IC电路（ CMOS、BiCMOS工艺） – 电源相关功率IC电路（ BCD工艺）
• ASIC制造常用工艺（um）
– 标准CMOS工艺（0.5，0.35，0.25，0.18，0.13）
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四、ASIC设计流程
• 特殊器件的设计流程 (Device 工艺) • 模拟电路设计流程 (Analog 工艺) • 数字电路设计流程（Logic 工艺） • 数/模混合电路设计流程 (Mixed-signal 工艺)
– 在电路设计级 – 在器件设计级 – 在版图设计级
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40
器件结构/电路形式对速度、功耗的影响
• 器件结构对速度、功耗的影响
– 双极型器件速度快, 但功耗大; – MOS型器件功耗低, 但速度相对也低。
• 电路形式对速度、功耗的影响
– 同是双极型器件，ECL电路快于TTL电路（后 者器件进入深饱和区而前者只达临界饱和点）
定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能
• 逻辑电路主要包括
– 通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、DFF、MUX…） – 现场可编程逻辑器件（FPLD） – 数字双极电路
• 逻辑电路 与存储器、微处理器 一同构成了三种
基本的数字电路类型。
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4.模拟电路
模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自 然模拟信号的集成电路产品。
Atlas
Structure Editor Device
特点
国内业界广泛 使用
国外业界广泛 使用
图形界面 操作简单易学 提供模型参数 数据库和小尺 寸模型
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模拟IC设计流程
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模拟集成电路设计常用工具
公司
电路图 仿真 版图绘制
Cadence Synopsys Mentor Spring Graphics Soft
布局布线 SE
Astro
Encounter
时序验证 Pearl
可测性设计
DFTCompiler
TetraMAX
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Mentor Spring Graphics Soft Modelsim
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五、ASIC设计关注的主要数据
• 元件数/芯片– 1000万晶体管/Die, 100门/Die • 芯片面积(mm2) – 1-100mm2 • 硅片直径(mm) –20mm ( 8英寸)/wafer • 特征线宽(μm) – 0.18μm, 90nm /CD • 工作电压(V) – 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V • 功耗（mW）– 16mW, 1.3mW, 6.5mW • 速度（MHz） – 高速电路(数字), 时钟800 MHz • 频率（GHz） – 射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz • 速度功耗乘积(μJ) -- 1pJ/单位量化电平
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39
关于性能 --速度功耗积
• 衡量超大规模IC产品设计水平的重要标志 • 在ASIC设计的每一步, 都有对产品速度、功耗进行
决择、控制的能力(速度、功耗是一对矛盾)
– 在系统设计级：算法的确定非常重要, 并行算法速度快但 功耗大；串行算法则反之。
– 在逻辑设计级：是否采用诸如超前进位链之类的附加电 路，对芯片速度的影响也非常明显
– 同是MOS型器件，CMOS电路功耗低于单纯 NMOS或PMOS电路（后者有静态功耗而前者 无静态功耗）
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41
六、ASIC成本
• 每个芯片(chip)的成本可用下式估算: 总成本 = 设计成本 + 光罩成本 + 制造成本
(暂不考虑封装测试成本)
• 其中Ct
– Cd 为设计成本， Cm – Cp 为每片wafer – V 为总产量
• 与微处理器分类一样，DSP也分为通用DSP 与嵌入式DSP两类。
• 通用DSP的主要市场在于通信应用。 • 嵌入式DSP则应用广泛，包括DVD播放机、
机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器、数 码相机和汽车电子等。
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11
2.存储器（Memory）
主要包括DRAM和Flash（闪存）两大类产品。
• TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球 五大供应商位置。
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18
二、专用集成电路及其发展趋势
• 新电路的设计与实现 • 对已有电路或系统的集成改造
– 体积缩小 – 重量减轻 – 性能提高 – 成本降低 – 保密性增强
• ASIC的进一步发展，以及IP核的复用技术， 促成了SoC (System on a Chip) 的问世以及 SiP (System in a package) 概念的提出。
14
1.2 Flash(闪存)
是一种非易失（非挥发）性存储器，用于
– 数码相机 – MP3 – 移动电话 – 移动多媒体等
目前已采用45纳米工艺制程，其基本存储单 元为叠栅型CMOS结构。
浙大微电子
15
3.逻辑电路
• 逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。 • 提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、
常用模拟 IC
– 电源系列（AC/DC, DC/DC, LDO ） – 运算放大器（OPA） – 比较器（Comparator） – 数据转换接口（ADC, DAC） – 高速串并转换接口 – 功放（PA） – 模拟滤波器（Filter） – 模拟开关（Switch） – 驱动IC（Driver）
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降低成本的方法(cont.)
3. 增大n:
– 增大wafer尺寸( 2英寸 4英寸 5英寸 8英寸 12英寸…)
这种方法需要工艺设备更新换代的支持, 工艺设备的更新 换代反过来使每一大园片的加工成本Cp也有所提高
– 减小芯片面积, 使得在相同直径的大圆片上可 以做更多的芯片电路
4、8、16、32位
1.3 数字信号处理器（DSP）
通用型、嵌入式
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5
1.1 微处理器（MPU）
通用来自百度文库微处理器
– PC机或工作站、服务器等的CPU，具有 高 垄断、高技术、高利润、高风险 等特征。
嵌入式型微处理器
– 嵌入式CPU的基础是通用型CPU，本质上与 通用CPU的区别不大，只是在各种不同的应 用中仅保留与具体应用有关的功能，去除冗 余的功能。
• 对系统的显示器、键盘、传感器等外围进 行控制。
• 市场的产品生命周期很长（汽车中3到10年， 家电中5年）。运用的软件及操作系统也不 太会更换，这些都有别于MPU市场。
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4、8、16、32位元MCU市场出货量
数据来源：In-Stat，2006
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10
1.3 数字信号处理器（DSP）
17
模拟电路产品特点
• 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工 具少、测试周期长。
• 数字IC强调运算速度与成本，模拟IC强调高信噪 比、低失真、低功耗和稳定性。
• 主要的工艺有CMOS，BiCMOS和BCD工艺，在 高频领域还有SiGe和GaAs工艺。
• 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有 持续获利的前景。
• 高利润：以Intel处理器为例，其产品享受着30~40%的高
额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有5％的利润。
• 高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必
然承受高风险这个代价。
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嵌入式CPU
• 嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电 子、工业设备等，是一个应用高度分散， 不断创新的产业。
– 同样因为韩、台在DRAM领域的相继崛起，美国称霸 微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位 又逐渐下降，近年已仅占20％。
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DRAM现状
美国 TI、Motorola已完全退出DRAM存储器产业， IBM亦淡出，仅剩下全球市占率第四的美光 （Micron）独撑大局
日本 东芝、富士通、日立等均退出DRAM市场，日立 与NEC整合成立尔必达（Elpida）公司，成为全 球第五大存储器厂商。