az-集成电路设计原理-01

集成电路设计原理信息科学技术学院张晶泊antaur@上课安排时间 第10周~第18周（2011-5-10~）每周二、周四----三四节地点 周二 百川楼402 周四 德济楼302开课对象 电子信息科学与技术专业2008级（根据选课名单：71人）先修课程为 《数字逻辑电路》 《Verilog语言》集成电路设计与集成系统“集成电路设计与集成系统”是教育部2003年设立的本科专业。培养目标： 学生毕业后能从事集成电路设计、制造、封装测试以及集成电路工具的研发等工作，也可在电子系统领域中从事教学和研发等技术工作。截止2010年统计， 开设该本科专业的高校有16所：

北京航空航天大学 西安电子科技大学

天津大学 天津理工大学

华南理工大学

重庆大学

华中科技大学

杭州电子科技大学

西安邮电学院

黑龙江大学 哈尔滨理工大学

华侨大学

青岛科技大学 电子科技大学 南通大学

电子科技大学成都学院研究生相关学校首批国家集成电路人才培养基地★清华大学 ★北京大学 ★复旦大学★浙江大学 ★上海交通大学 ★东南大学★华中科技大学 ★电子科技大学 ★西安电子科技大学第二批国家集成电路人才培养基地★北京航空航天大学 ★西安交通大学★哈尔滨工业大学 ★同济大学★华南理工大学 ★西北工业大学第三批国家集成电路人才培养基地★北京工业大学 ★大连理工大学 ★天津大学★中山大学 ★福州大学本科专业课程内容电路分析模拟电路数字电路微机原理与接口技术微电子学概论verilog数字系统设计集成电路设计的EDA技术VLSI电路设计CMOS模拟集成电路设计SoC系统开发数字系统测试与可测性设计数模混合集成电路设计学习目的了解集成电路发展的现状和未来趋势；掌握集成电路的基本概念、制造工艺、设计流程及方法；掌握掌握基于FPGA的逻辑设计以及嵌入式设计方法。课程内容第1章集成电路概述第2章集成电路设计基础第3章集成电路设计流程及方法第4章基于FPGA的集成电路设计第5章基于XILINXV-IIPRO的FPGA开发案例教学第6章在线逻辑分析仪chipscope应用第7章FPGA中的时钟管理模块设计第8章FPGA中存贮单元的设计与使用第9章

基于FPGA的可编程嵌入式开发技术实验1、基于ISE的FPGA设计入门实验2、波形测试法和测试代码的仿真3、在线逻辑分析仪Chipscope应用4、DCM模块使用实验5、Xilinx内嵌块存储器的使用

6、SOPC基础实验--基础硬件设计实验考试安排平时成绩实验成绩考试成绩开卷考试参考书目1、《数字集成电路—电路、系统与设计》（第二版） 周润德译，电子工业出版社，2009年2、《微电子学概论》 张兴等编，北京大学出版社，2006年3、《XilinxFPGA开发指南——逻辑设计篇》 田耘等编，人民邮电出版社，2008年4、《XilinxFPGA开发指南——嵌入式篇》 田耘等编，人民邮电出版社，2008年第一章

概论什么是集成电路 是指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、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片(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的一种器件。集成电路（IC：IntegratedCircuit）芯片显微照片功能：PLL大小：1.3*1.15cm2集成电路能干什么？QTT533 电源复位稳压集成电路QS7785

环绕声解码集成电路4260 动态随机存储集成电路RCDRS52 红外遥控传感集成电路RF9117E6 功率放大集成电路RFF 射频输出集成电路85713 行扫描信号校正集成电路A1642P 背景歌声消除集成电路SBX1765 梳状滤波集成电路AN5043 调谐控制集成电路KA8330 电机驱动集成电路。。。信息安全信息管理信息获取信息处理信息传输、交换信息存储信息的执行和应用软件通信技术设备信息技术的领域信息技术几乎可以渗透到各种传统产业，用信息技术对传统产业进行升级改造，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（LED技术），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)信息技术对传统产业的渗透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

RIC≈（1.5~2）REI

REI≈3RGDP15%9%3%FromS.M.SZERIC≈1.7REIREI≈3RGDPS.M.Sze半导体牛人《半导体器件物理》（《PhysicsofSemiconductorDevices》）第三版（英文版）

我国IT企业与Intel公司利润的比较销售额利润利润率Intel公司294亿美元73亿美元24.8%我国一家以计算机生产销售为主的IT企业200亿人民币5亿人民币2.5%我国的VCD产业2%它们在改变您的生活IC发展史发明人JackKilby杰克·基尔比 (1923.11-2005.6) 业界公认的集成电路第一位发明者 2000年诺贝尔物理学奖得主 美国德州仪器（TI）著名工程师 1958年9月12日公开展示第一块IC发明人RobertNoyce罗伯特·诺伊斯 (1927.12-1990.6) 英特尔共同创始人 1957年创办仙童半导体公司 1968年创办英特尔公司、 1959年提出一种“半导体结构和铅结构”模型1960年仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路电路的演化史分离器件电子管晶体管集成电路超大规模集成电路电子管的模样一个真空的小玻璃管，发射电子束，根据每个引脚供电电压大小，电子束产生强弱束流，实现电路的开关或大小控制。缺点：耗电大，寿命有限

很多中高端的音响功率放大器（简称‘功放’）为了追求音质的完美，还是采用电子管优点：电子管负载能力强，线性性能优于晶体管，在高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好晶体管的发明

理论基础：三个重要物理效应光电导效应 1873年英国物理学家史密斯（W.Smith）发现的晶体硒在光照射下电阻变小的特性。光生伏特效应 1877年英国物理学家亚当斯（W.G.Adams）发现的晶体硒和金属接触在光照射下产生电动势的特性。整流效应

1906年，美国物理学家皮尔逊发现金属与硅晶体接触产生整流作用的特性。理论推动：量子力学建立能带理论，用于分析半导体现象。材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求1946年1月， Bell实验室正式成立半导体研究小组J.Bardeen巴丁

提出了表面态理论W.Schokley肖克利

给出了实现放大器的基本设想W.Brattain布拉顿

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晶体管1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管获得1956年Nobel物理奖获奖者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain三极管金正AV-N109功放电路图（部分）对于基础电路，不论小电路还是大电路，无非就是三极管、二极管、电阻、电容这四大基本元件购成。对于一个CPU，也许几十块这样的电路板、几百上千个晶体管才能构建成其中一个运算单元。带来问题：假如这电路中，出现故障。比如：有一个晶体管损坏，那结果…集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯仪器公司的科学家卡尔.基尔比(ClairKilby)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。世界上第一块IC移相振荡器，产生了1.3MHz的信号1958年9月12日2000年诺贝尔物理学奖1962年Wanlass与C.T.Sah提出CMOS技术(仙童) 现在集成电路产业中占95%以上。 CMOS的最大特征就是低功耗。1967年Kahng与S.Sze发明了非挥发性存储器。1968年Dennard发布“一个有关晶体管动态RAM单元的发明”(IBM)1971年Intel公司微处理器40041968年Dennard发布“一个有关晶体管动态RAM单元的发明”IBM美国专利＃3387286

人类从此进入了intel时代1971年Intel公司微处理器4004目前全世界微机总量约6亿台。在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新。硅谷传奇贝尔实验室肖克利半导体实验室仙童公司国家半导体公司NSC高级微型仪器公司AMD英特尔Intel“叛逆八人帮”肖克利。。。。。贝尔实验室1925年1月1日，AT&T与WesternElectric公司的工程研究开发部合并，成立了贝尔实验室。今天，它是朗讯科技公司的研究开发部门。贝尔实验室自成立以来共推出27000多项专利，现在平均每个工作日推出4项专利。在全球拥有10000多名科学家和工程师至少平均每天的学术论文都有一千多篇。肖克利姓名：肖克利 Shockley,WilliamBradford 国家或者地区：英国-美国 学科：物理学家成就：1956年度的诺贝尔物理学奖金。 晶体管之父 硅谷的共同奠基人。 肖克利博士非凡的商业眼光，成就了硅谷。 也是肖克利博士拙劣的企业才能，创造了硅谷。 他是硅谷的第一公民。叛逆八人帮诺依斯（N.Noyce）摩尔（R.Moore）布兰克（J.Blank）克莱尔（E.Kliner）赫尔尼（J.Hoerni）拉斯特（J.Last）罗伯茨（S.Boberts）格里尼克（V.Grinich）仙童半导体公司1969年在森尼维尔举行的一次半导体工程师大会上，400位与会者中，未曾在仙童公司工作过的还不到24人。”80年代初畅销书《硅谷热》中写到：“硅谷大约70家半导体公司的半数，是仙童公司的直接或间接后裔苹果公司乔布斯形象比喻的那样：“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”Intel的历史人类历史上第一块集成电路奠定了X86构架的体系，主频4.77MHz，采用16位寄存器、16位数据总线29000个3微米技术的晶体管，标志着第三代微处理器问世摩尔定律 摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。微处理器的性能80808086802868038680486PentiumPentiumPro100G10GGiga100M10MMegaKilo19701980199020002010导入期Moore’s

Law成熟期20032001Productionready0.13µmGatewidthSource:Intel200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35µm0.25µm0.18µm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm微电子技术的进步集成电路技术是近50年来发展最快的技术集成电路的分类分类依据按功能结构分类按制作工艺分类

按集成度高低分类

按导电类型不同分类

按用途分类

按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号）例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号。按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。薄膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。按集成度高低分类小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）类别数字集成电路模拟集成电路MOSIC双极ICSSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109划分集成电路规模的标准按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大。代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路。代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。按用途分类视频处理集成电路音频处理成电路通信用集成电路照相机用集成电路遥控集成电路报警器用集成电路。。。主要发展方向三个主要发展方向：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)

可编程器件可能取代专用集成电路（ASIC）微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科集成电路生产流程SingledieGoingupto12”(300mm)Wafer大规模生产的硅片直径已经从200mm转入300mm。2015年左右有可能出现400mm--450mm直径的硅片。

缩小器件的特征尺寸所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度,常常作为技术水平的标志。对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/价格比最有效手段之一。只有特征尺寸缩小了，在同等集成度的条件下，芯片面积才可以做得更小,而且可以使产品的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低。20032001Productionready0.13µmGatewidthSource:Intel200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35µm0.25µm0.18µm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm集成电路最主要的特征参数的设计规则从1959年以来40年间缩小了140倍。而平均晶体管价格降低了107倍。特征尺寸：10微米→1.0微米→

0.8µ（亚微米）→半微米0.5µ→深亚微米0.35µ,0.25µ,0.18µ,0.13µ→纳米

90nm→65nm→45nm集成电路走向系统芯片SoCSOCSystemOnAChipSystemonChip（SoC）？ 称为系统级芯片,也