a集成电路设计基础

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❖Intel 公司第一代CPU—4004
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电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
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❖Intel 公司CPU—386TM
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电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
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❖Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
• 现已进入到：
• VLSI-Very Large Scale Integration • ULSI-Ultra Large Scale Integration • GSI -Grand Sale Integration
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集成电路的发展
年份
1989年
1993年
2019年
特征尺寸 1.0µm
Year of introduction 1971 1972 1974 1978 1982 1985
1989 1993 2019 2019 2000
Transistors
1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000
2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000
（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 -Small Scale Integration • MSI-Medium Scale Integration • LSI -Large Scale Integration
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• --特征尺寸：
集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定 的沟导几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。 反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决 于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。
• --硅园片直径：考虑到集成电路的流片成品率和生 产成本，每个硅园片上的管芯数保持在300个左右。
• --封装：
把IC管芯放入管壳内并加以密封，使管芯能长期可靠地工作
为了适应高密度安装的要求，从扦孔形式（THP）向表面安装形 式（SMP）发展， SMP优点是节省空间、改进性能和降低成本， 而且它还可以直接将管芯安装在印制版电路板的两面，使电路板 的费用降低60%。目前最多端口已超过1千个。
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0.6µm
0.35µm
水平标志 微米（M） 亚微米（SM） 深亚微米 （DSM）
2019年
45nm
超深亚微米 （VDSM）
表1 CMOS工艺特征尺寸发展进程
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集成电路发展的特点：
➢ 特征尺寸越来越小（45nm） ➢ 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（0.6V） ➢ 布线层数/I/0引脚越来越多（9层/>1200）
<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 4004 8008 8080 8086 286 386™ processor 486™ DX processor Pentium® processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor
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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 倍。2
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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a
集
成
电
路
设
计
基
础
各种封装好的集成电路
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集成电路IC基本概念 • --形状:
一般为正方形或矩形 • --面积:
几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增 大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过增 大硅园片直径来弥补。 • --集成度，规模: 包含的MOS管数目或等效逻辑门(2输入的NAND) 的数量 1个2输入的NAND=4个MOS管
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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
MSI (1966)
102-103
特征线宽(um) 速度功耗乘积(uj)
10-5 102-10
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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一个圆片制造多个芯片
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MPW示意图
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1.1 集成电路的发展
❖ 集成电路的出现
➢ 1947-1948年：公布了世界上第一支（点接触）晶体三极管— 标志电子管时代向晶体管时代过渡。因此1956年美国贝尔实验 室三人获诺贝尔奖
➢ 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
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电路规模：4千2百万个晶体管
生产工艺：0.13um
最快速度：2.4GHz
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❖集成电路今后的发展趋势
➢ 在发展微细加工技术的基础上，开发超高速度、 超高集 成度的IC芯片。
➢ 利用先进工艺技术、设计技术、封装技术和测试技术发 展各种专用集成电路(ASIC)， 特别是开发更为复杂的片 上系统(SOC)，不断缩短产品上市时限，产品更新换代 的时间越来越短。
120-100 2-1.2 <10 50-75
LSI (1971) 103-105
5-3 10-1 100-40 1.2-0.5 10-25 100-125
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VLSI (1980) 105-107
3-1 1-10-2 40-15 0.5-.02 25-50
150
ULSI (1990) 107-108