集成电路设计基础知识

2.5 2 Vdd(V) 1.5 Vdd 1 0.5 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路的时钟频率
3000 2500 Clock(MHz) 2000 1500 1000 500 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 Clock
集成电路设计基础
第一章 集成电路设计概述
华南理工大学 电子与信息学院 广州集成电路设计中心 殷瑞祥 教授
第一章 集成电路设计概述
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路( ) 集成电路(IC)的发展
IC——Integrated Circuit; ; 集成电路是电路的单芯片实现; 集成电路是电路的单芯片实现; 集成电路是微电子技术的核心; 集成电路是微电子技术的核心;
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路的发展
小规模集成(SSI)→中规模集成(MSI)→大规 小规模集成( 中规模集成( ) 中规模集成 ) 大规 模集成( 超大规模集成电路(VLSI)→特大 模集成(LSI)→超大规模集成电路 ) 超大规模集成电路 特大 规模集成电路(ULSI)→GSI →SoC . 规模集成电路
2012
0.01 256G 1400 750 3000 9 0.5-0.6 450 18吋 吋
DRAM容量 DRAM容量
晶体管数量(M) 晶体管数量 芯片尺寸(mm2) 芯片尺寸 时钟频率(MHz) 时钟频率 金属层数 最低供电电压 (V) 最大硅片直径 (mm)
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
GSI >107 >106 2000 P3 CPU
SoC
>5× >5×10
7
10 ~ 102 1966 计数器 加法器
>5×106 × 2003 P4 CPU
DSP
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路的发展
1990年代以后 工艺从亚微米(0.5到1微米 深亚微米(小于 年代以后, 工艺从亚微米 到 微米)→深亚微米 小于 年代以后 微米 深亚微米 0.5m)→超深亚微米 小于0.25 m ,目前已经到了0.06 m) 超深亚微米(小于 目前已经到了 超深亚微米 小于 发展.其主要特点: 发展.其主要特点: 特征尺寸越来越小(最小的 管栅长或者连线宽度) 特征尺寸越来越小(最小的MOS管栅长或者连线宽度) 管栅长或者连线宽度 芯片尺寸越来越大( 芯片尺寸越来越大(die size) ) 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多 引线越来越多
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
Intel公司 公司CPU发展 公司 发展
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
Intel公司 公司CPU发展 公司 发展
Year of introduction 4004 1971 8008 1972 8080 1974 8086 1978 286 1982 386 1985 486DX 1989 Pentium 1993 Pentium II 1997 Pentium III 1999 Pentium 4 2000 Transistors 2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路芯片面积
700 芯片面积 ( 平方毫米 ) 芯片面积( 平方毫米) 600 500 400 300 200 100 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 芯片面积
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路的电源电压
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
摩尔定律( 摩尔定律(Moore's Law) )
Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three years——True for at least 30 years! (Intel公司前董事长 公司前董事长Gordon Moore首次于 首次于1965提出 提出) 公司前董事长 首次于 提出 后人对摩尔定律加以扩展: 后人对摩尔定律加以扩展: 集成电路的发展每三年 – – – – 工艺升级一代; 工艺升级一代; 集成度翻二番; 集成度翻二番; 特征线宽约缩小30%左右; 特征线宽约缩小 %左右; 逻辑电路( 为代表) 逻辑电路(以CPU为代表)的工作频率提高约 %. 为代表 的工作频率提高约30%
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路发展规划(1997) 集成电路发展规划( )
年份
最小线宽 (mm) mm)
1997
0.25 256M 11 300 750 6 1.8-2.5 200 8吋 吋
1999
0.18 1G 21 340 1200 6～7 ～ 1.5-1.8 300 12吋 吋
元件 连线 I/O 应用电路系统
工艺加工
单片半导体材料
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
晶体管的发明
1946年1月,Bell实验室正式成立半导体研究小组: 年 月 实验室正式成立半导体研究小组: 实验室正式成立半导体研究小组 W. Schokley,J. Bardeen,W. H. Brattain , , Bardeen提出了表面态理论, Schokley给出了实现 提出了表面态理论, 提出了表面态理论 给出了实现 放大器的基本设想, 设计了实验; 放大器的基本设想,Brattain设计了实验; 设计了实验 1947年12月23日,第一次观测到了具有放大作用的 年 月 日 晶体管; 晶体管; 1947年12月23日第一个点接触式 年 月 日第一个点接触式 日第一个点接触式NPN Ge晶体管 晶体管 发明者: 发明者: W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
第一块单片集成电路
集成电路发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass,C. T. Sah——CMOS技术 年 , 技术 现在集成电路产业中占95%以上 现在集成电路产业中占 以上 1967年Kahng,S. Sze ——非挥发存储器 年 , 非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管 年 单晶体管DRAM 单晶体管 1971年Intel公司生产出第一个微处理器芯片 年 公司生产出第一个微处理器芯片 公司生产出第一个微处理器芯片4004— —计算机的心脏 计算机的心脏 目前全世界微机总量约 亿台,在美国每年由计算 目前全世界微机总量约6亿台, 亿台 机完成的工作量超过4000亿人年工作量.美国欧特 亿人年工作量. 机完成的工作量超过 亿人年工作量 泰克公司认为:微处理器, 泰克公司认为:微处理器,宽带连接和智能软件将 世纪改变人类社会和经济的三大技术创新. 是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新. 世纪改变人类社会和经济的三大技术创新
经过 多年,集成电路产业的发展证实了摩尔定律的 经过30多年, 多年 正确性,但是摩尔定律还能有多长时间的生命力? 正确性,但是摩尔定律还能有多长时间的生命力? 集成电路的特征尺寸: 集成电路的特征尺寸: 量子效应 130nm→90nm→60nm→45nm→30nm→?量子效应 集成电路光刻 费用急剧增加 数十万甚至上 百万美元! 百万美元!
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
第一章 集成电路设计概述
1.2 当前国际集成电路 技术发展趋势
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势 #1
关心工艺线
12 英 寸 (300mm) 0.09 微 米 是 目 前 量产最先进的 CMOS工艺线 工艺线
工艺 元件数 门数 年代 典型 产品 SSI <102 <10 1961 集成 门, 触发 器 MSI 102 ~ 10
3
LSI 103 ~ 104 102 ~ 103 1971 8bMCU ROM RAM
VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105 1980 16-32bit MCU
ULSI 106 ~ 107 105 ~ 106 1990
单片集成电路晶体管数
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
特征尺寸
人类头发丝
变形虫 红血球细胞
艾滋病毒
巴克球
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
电源电压
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
平均每个晶体管价格
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
摩尔定律还能维持多久? 摩尔定律还能维持多久?
2001
0.15 1G~4G 40 385 1400 7 1.2-1.5 300 12吋 吋
2003
0.13 4G 76 430 1600 7 1.2-1.5 300 12吋 吋
2006
0.10 16G 200 520 2000 7～8 ～ 0.9-1.2 300 12吋 吋
2009
0.07 64G 520 620 2500 8～9 ～ 0.6-0.9 450 18吋 吋
集成电路工艺特征尺寸
0.3 特征尺寸( 微米) 特征尺寸 ( 微米 ) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 工艺尺寸
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
单个芯片上的晶体管数
600 500 晶体管数( 晶体管数 ( M) 400 300 200 100 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 晶体管数
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
集成电路的发展水平的标志
IC加工工艺的特征尺寸 加工工艺的特征尺寸 (MOS晶体管的最小栅长,最小金属线宽 晶体管的最小栅长, 晶体管的最小栅长 最小金属线宽) 集成度 元件/芯片 芯片) (元件 芯片) 生产IC所用的硅片的直径 生产 所用的硅片的直径 (6,8,12英寸) , , 英寸) 英寸 芯片的速度 (时钟频率 时钟频率) 时钟频率
获得2000年Nobel物理奖 获得2000年Nobel物理奖
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
获得2000年Nobel物理奖 获得2000年Nobel物理奖
集成电路的发明
平面工艺的发明 1959年7月, 美国 公司的Noyce发明第一 年 月 美国Fairchild 公司的 发明第一 块单片集成电路: 块单片集成电路: 利用二氧化硅膜制成平面晶体管, 利用二氧化硅膜制成平面晶体管, 用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的 导电膜作为元器件间的电连接(布线 布线). 导电膜作为元器件间的电连接 布线 . 这是单片集成电路的雏形, 这是单片集成电路的雏形,是与现在的硅集成电路 直接有关的发明.将平面技术, 直接有关的发明.将平面技术,照相腐蚀和布线技 术组合起来,获得大量生产集成电路的可能性. 术组合起来,获得大量生产集成电路的可能性.
获得1956年Nobel物理奖 获得1956年Nobel物理奖
1.1 集成电路(IC)的发展 集成电路( )
获得1956年Nobel物理奖 获得1956年Nobel物理奖
集成电路的发明
1952年5月,英国科学家 W. A. Dummer第一次 年 月 英国科学家G. 第一次 提出了集成电路的设想. 提出了集成电路的设想. 1958年以德克萨斯仪器公司(TI)的科学家基尔比 年以德克萨斯仪器公司( ) 年以德克萨斯仪器公司 (Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一 为首的研究小组研制出了世界上第一 块集成电路,并于1959年公布了该结果. 年公布了该结果. 块集成电路,并于 年公布了该结果 锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻,总共12个器 锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻,总共 个器 用超声焊接引线将器件连起来. 件,用超声焊接引线将器件连起来.