专用集成电路概念与设计流程电子教案

1、 1第二讲专用集成电路概念及设计流程 2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 3半导体产业的主要产品分类分为四大类： 集成电路，分立器件，光电器件、传感器 05-07年全球半导体产品销售比例200520062007集成电路( IC, 通用、专用)84.884.585.4分立器件(Discrete)7.16.76.4光电器件(Optoelectronic)6.1 6.66.3%传感器 (Sensors)2.02.21.9 51. 微器件（Micro Device）微器件由三部分器件构成1.1 微处理器（MPU）

2、 通用型、嵌入式1.2 微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（DSP） 通用型、嵌入式 61.1 微处理器（MPU） 通用型微处理器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。 7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

3、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。高利润：以Intel处理器为例，其产品享受着3040%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。 8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。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

4、还包括MIPS、ARM、SuperH等。 91.2 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。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。 10 4、8、16、32位元MCU市场出货量数据来源：In-Stat，2006 111.3 数字信号处理器（DSP）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

5、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。 122.存储器（Memory） 主要包括DRAM和Flash（闪存）两大类产品。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。 132.1 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

6、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。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。 14DRAM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，

7、成为全球第五大存储器厂商。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。 151.2 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。 163.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、定时和控制操作

8、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。 174.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。 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） 18模拟电路产品特点品种多、生命周期长、技术含量高、辅

9、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。TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球五大供应商位置。 19二、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)

10、概念的提出。 20PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片 21 333整体电路图高压输出高低压转换移位锁存 22高压输出电路部分 23 高低压转换接口电路 24 移位寄存器和锁存器 25整体版图ABC 26高压输出电路版图 27高低压转换接口部分的版图 28移位寄存器和锁存器版图 29移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍） 30三、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，

11、0.18，0.13） 31四、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) 32特殊工艺器件的设计流程 33常用的TCAD软件工具 所属公司工艺仿真器件仿真特点SynopsysTsuprem4Medici国内业界广泛使用ISE(瑞士)被Synopsys 公司收购DIOSMDRAW，器件生成DESSIS，器件仿真国外业界广泛使用SILVACOAthenaAtlas图形界面操作简单易学SentaurusSynopsysProcess Structure

12、 Editor Device 提供模型参数数据库和小尺寸模型 34 模拟IC设计流程 35 公司CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft电路图仿真SpectreHspice版图绘制Virtuoso版图验证及参数提取DivaDraculaCalibreLaker模拟集成电路设计常用工具 36前端设计 数字IC设计流程 37后端设计 38数字集成电路设计常用工具 公司 CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft逻辑仿真NC-SimVCSModelsim逻辑综合Design- compiler布局布线SEEncounter

13、AstroLaker时序验证Pearl可测性设计DFT-CompilerTetraMAX 39五、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(m) 0.18m, 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(J) - 1pJ/单位量化电平 40关于性能

14、-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在电路设计级在器件设计级在版图设计级 41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）同是MOS型器件，C

15、MOS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） 42六、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为芯片开发总成本Cd 为设计成本， Cm 为光罩成本Cp 为每片wafer上电路的加工成本V 为总产量 y 为成品率 n 为每一大园片上的芯片数 (chip 数 / wafer) 43降低成本的方法增大V, V=ynw 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

16、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。 44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 这种方法会不断要求工艺特征尺寸变小(0.6um 0.35um 0.18um 0.09um), 加工成本Cp也会有所提高 45在确定工艺下减小芯片面积的方法 优化的逻辑设计 - 用最少的逻辑部件完成最多的系统

17、功能。本课程中介绍的乘法器、平方器的优化设计就是一些典型实例。 优化的电路设计 - 用最少的器件实现特定的逻辑功能。本课程中介绍的用CMOS传输门的方法实现D触发器, 较之传统的用“与非门”的方法就可大大减少器件数目。 优化的器件设计 - 尽量减小器件版图尺寸。器件结构要合理, 驱动能力不要有冗余。 优化的版图设计 - 尽量充分利用版芯面积, 合理布局, 减小连线长度,减少无用区等。 46封装测试成本封装测试成本：DIP14 0.16元/颗SOP14 0.20元/颗SOT6 0.17元/颗封装试样费1000元/项目测试程序开发费2000元/项目 47ASIC其他费用 (会逐年下降)光罩（掩膜板）费用3um工艺0.4万元/块，一套板9-10块0.6umCMOS工艺1万元/块，一套板14-15块最小流片量3um 5寸线， 4 wafer/批， 0.1万元/wafer 流片