集成电路设计基础：01绪论

1、集成电路设计基础绪论一、什么是集成电路二、集成电路的分类三、集成电路发展的历史、现状和未来四、集成电路对人类社会的巨大作用五、课程简介一、集成电路（Integrated Circuit，IC ）： 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。 集成电路集成电路集成电路的内部电路VddABOut 硅单晶片与加工好的硅片集成电路芯片的显微照片 50m100 m头发丝粗细 30m0.1m 0.1 m(晶体管的大小)3050m(皮肤细胞的大小)集成电路中晶体管大小

2、与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求 集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证 集成电路芯片设计过程框架是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化网表时序仿真布局布线版图后仿真否是否否是Sing off芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA二、集成电路的分类集成电路的分类可按：器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型

3、双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大

4、规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由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。微电子技术发展的ROADMAP按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路

5、：厚膜集成电路薄膜集成电路按电路功能分类数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等三、微电子产业的发展历史、现状和未来1947年12月23日第一个晶体管NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W

6、. Brattain获得1956年Nobel物理奖1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖集成电路发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S. Sze 非挥发存储器1968年Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏微处理器、互联网和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新第一个CPU：4004Pentium III CPU芯片微处理器的性能80808086802868038680486PentiumPe

7、ntiumPro100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010导入期MooresLaw成熟期90nm处理器工艺制造Athlon 64双核心的Athlon 64IBMAMD的Fab 36生产线一角位于Dresden的Fab 30微电子技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分产业格局与产业结构集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产出来。集成电路芯片价格：101 102美元生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米）要想赢利：年产量108集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不

8、是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值。决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即市场的需求。集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型生产存储器和CPU集成器件制造商(IDMIntegrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为客户提供加工服务客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry

9、加工我国集成电路发展展望 上海IC产业发展战略目标 到2010年总投资量600亿美元，建成20 40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业我国年集成电路发展展望北京10 20条集成电路生产线零地租政府跟进投资集成电路：电子信息产业的核心和基础我国集成电路产业进入高速发展时期未来十年将是我国微电子产业的黄金时期亿元年中国集成电路产业的累计投资额四、集成电路对人类社会的巨大作用社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各

10、种计算机或通讯机，它们的基础都是集成电路。集成电路：信息社会发展的基石第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,000个电子管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min1946年第一台计算机：ENIAC当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过400

11、0亿人年工作量集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低集成电路1 2元电子产品10元国民经济产值100元集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%据美国半导体协会（SIA）预测 电子信息服务业 30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备 6-8万亿元集成电路产值1万亿美元GDP50万亿美元2012年其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系 RIC1.5

12、2REI REI3RGDP RIC1.7REI REI3RGNP15%9%3%From S.M.SZE世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较 抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长1985-1990年间世界半导体商品市场份额日本公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均IC产值年增长率 人均电子工业年增长率 人均GNP年增长率 日本美国 日本美国 日本美国2.2%1.1%0.1% 80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。例子

13、市场变化日本市场缩减市场份额90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位我国IT企业与Intel公司利润的比较同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。如果我们不发展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。几乎所有的传统产业

14、与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)集成电路对传统产业的渗透与带动作用电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度 数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市

15、场竞争力集成电路对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会： IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战集成电路对信息社会的重要性INTERNET基础设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线 .路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关 .终端设备：PC、NetPC、WebTV .网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE .INTERNET服务信息服务: 极其大量的各种信息交易服务: 高可靠、高保密 .计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”2020年世界最大的30个市场领域：其中与集成电路相关的22个市场：5万亿美元集成电路产业的战略重要性结束语5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代