深圳大学-数字集成电路(中文)第一第二章说课讲解

深圳大学-数字集成电路(中文)第一第二章..Whatisthiscourseallabout?数字集成电路的介绍CMOS器件与工艺导线模型CMOS反相器和逻辑门传输延时、噪声和功耗组合、时序逻辑电路设计方法学能学到什么数字集成电路的入门介绍，从物理器件层到系统整片层的概念。强化数字电路知识，了解基于不同层次的DigitalICDesign的流程，具备一定的基本数字集成电路的设计能力2引言数字集成电路设计进展数字集成电路中亟待解决的问题如何衡量设计质量34第一台机械计算机TheBabbageDifferenceEngine(1832)25,000零件Cost:17,470磅5ENIAC–第一台电计算机(1946)电气计算机磁控开关真空管1946年/18000电子计算机晶体管/集成电路沿革的动力功耗-可靠性-成本6晶体管革命第一个晶体管BellLabs,1948BardeenSchockley7第一块集成电路双极型逻辑1960’sJackKilbyECL3输入逻辑门Motorola19668

Intel4004微处理器19711000晶体管1MHz工作频率全定制人工设计9IntelPentium(IV)微处理器2000年~亿个晶体管~GHz工作频率可复用设计基于单元库/宏单元

层次化设计设计自上而下性能驱动设计功耗-速度-面积10摩尔定律（Moore’sLaw）In1965,GordonMoorenotedthatthenumberoftransistorsonachipdoubledevery18to24months.Hemadeapredictionthatsemiconductortechnologywilldoubleitseffectivenessevery18months11Moore’sLawElectronics,April19,1965.12复杂度的演变-存储器13晶体管数量1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium®Pentium®ProK1BillionTransistorsSource:IntelProjectedPentium®IIPentium®IIICourtesy,Intel14Moore’slaw–微处理器40048008808080858086286386486Pentium®procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors(MT)2Xgrowthin1.96years!TransistorsonLeadMicroprocessorsdoubleevery2yearsCourtesy,Intel15Moore’slaw–芯片尺寸40048008808080858086286386486Pentium®procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)~7%growthperyear~2Xgrowthin10yearsDiesizegrowsby14%tosatisfyMoore’sLawCourtesy,Intel16工作频率P6Pentium®proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)LeadMicroprocessorsfrequencydoublesevery2yearsDoublesevery

2yearsCourtesy,Intel17Moore’slaw–功耗P6Pentium®proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)LeadMicroprocessorspowercontinuestoincreaseCourtesy,Intel18功耗将成为主要问题5KW18KW1.5KW500W40048008808080858086286386486Pentium®proc0.111010010001000010000019711974197819851992200020082012YearPower(Watts)能量的传递和耗散将变得不可能Courtesy,Intel19功率密度40048008808080858086286386486Pentium®procP611010010001000019701980199020002010YearPowerDensity(W/cm2)HotPlate核反应温度火箭喷嘴的温度t功率密度过高导致节温升高Courtesy,Intel20不仅仅是微处理器数字电话市场(出货量)19961997199819992000Units

48M86M162M260M435MAnalogBasebandDigitalBaseband(DSP+MCU)PowerManagementSmallSignalRFPowerRF(datafromTexasInstruments)移动电话21数字设计方面的挑战

“微观问题”•超高速设计

互连•噪声、串扰•可靠性、可制造性•功耗•时钟分布

“宏观问题”•产品上市周期•千百万门级•高层次抽象•可复用IP:可移植性•可预测性•等.22产率发展趋势1101001,00010,000100,0001,000,00010,000,000200319811983198519871989199119931995199719992001200520072009101001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,000LogicTr./ChipTr./StaffMonth.xxxxxxx21%/YpoundProductivitygrowthratex58%/YpoundedComplexitygrowthrate10,0001,0001001010.10.010.001LogicTransistorperChip(M)0.010.11101001,00010,000100,000Productivity(K)Trans./Staff-Mo.Source:Sematech复杂度超出了设计能力（产率）~！ComplexityCourtesy,ITRSRoadmap23缩放比例工艺特征尺寸每代降低0.7芯片按照功能每代两倍增长芯片成本却没有大幅增加每个功能的成本降低两倍但是…如何设计功能更强的芯片?设计人员却没有按照每两年增长翻倍的速度增加…因此需要更有效的设计方法开发不能级别的抽象更多优秀的仿真综合工具24设计抽象层次n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM25设计的衡量如何去评价一个数字电路的性能?成本（Cost）可靠性（Reliability）可伸缩性（Scalability）速度（延时、操作频率）Speed(delay,operatingfrequency)功耗（Powerdissipation）完成某功能能量（Energytoperformafunction）26数字电路的基本特性/参数静态/稳态特性鲁棒性可靠性动态/瞬态特性速度性能功耗特性热耗散/电源要求芯片面积制造成本27集成电路的成本固定成本NRE(non-recurrentengineering)设计时间和人工成本一次性投入成本

可变成本Recurrentcosts芯片工艺、封装、测试成本与芯片数量成正比与芯片面积成正比28电压传输特性

VTC（VoltageTransferCharacteristic）V(x)V(y)VOHVOLVM

VOHVOLfV(y)=V(x)SwitchingThresholdNominalVoltageLevelsVOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)29数字与模拟信号之间的映射关系VILVIHVinSlope=-1Slope=-1VOLVOHVout“0”VOLVILVIHVOHUndefinedRegion“1”30噪声容限（Noisemargin）NoisemarginhighNoisemarginlowVIH

VILUndefined

Region"1""0"VOH

VOLNMHNML逻辑门输出逻辑门输入NMH=VOH-VIHNML=VIL-VOL)31功能性和稳定性―

数字电路中的噪声i(t)

Inductivecoupling

CapacitivecouplingPowerandground

noisev(t)VDD32噪声估计噪声源:电源噪声、干扰、串扰和偏移为预计产生的噪声源分配所允许的噪声容限区分固定噪声和与信号幅度成比例噪声源33主要可靠性指标噪声容限不能代表一切相比由低阻抗驱动的节点，浮空节点更容易被干扰。噪声抑制能力是更为重要的指标–在系统噪声存在的情况下正确处理和传递信息的能力

关键的指标:噪声传递函数、驱动器输出阻抗和接收器输入阻抗。34再生特性

Achainofinvertersv0v1v2v3v4v5v6

Simulatedresponse35再生特性 把一个输入电压Vin（Vin∈“0”）加在一条具有N个反相器的链上，反相器个数为偶数，当且仅当反相器具有再生性是输出电压Vout（N->∞）将等于VOL。当输入电压Vin（Vin∈“1”），输出电压Vout（N->∞）将等于VOH36再生特性的条件RegenerativeNon-Regenerativeout=f(in)in=finv(out)37扇入和扇出NFan-outNFan-inMM38理想的数字门Ri=∞Ro=0Fanout=∞NMH=NML=VDD/2

g=VinVout39早期的反相器NMHVin

(V)Vout(V)NMLVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0通过观察推导该结构的DC参数？VOHVOLVIHVILVMNMHNML40传播延时tp定义41环形振荡器RingOscillatorT=2×

tp

×

N0001114243一阶RC网络的传播延时voutvinCR达到50%点的时间：tp=ln(2)

τ=0.69RC=0.69τ从10%达到90%的时间tp=ln(9)τ=2.2RC=2.2τ反相器传播延时的重要模型44设计关注问题数字集成电路设计方法的演变手工制作设计自动化基于单元库和IP核、自上而下的层次化设计设计抽象是关键“黑盒子”或“模型”参数简化，但足以精确到满足上一层设计需要“分而治之”方法降低处理复杂度不直接面临众多晶体管，而是一组服用单元45设计关注的问题自上而下的层次化设计流程系统结构级算法：C++，matlab模块级RTL（VHDL/Verilog语言）：Synopsys/Metor门级（逻辑）逻辑综合/时序/功耗分析：Synopsys晶体管级（电路）模拟电路分析：Cadence/Synopsys/Mentor器件级（版图）布局布线/验证/后仿真：Cadence/Mentor46设计关注问题模拟设计自动化？有效模型困难参数众多工艺依赖性连续信号单元电路结构各异单元库数目庞大，复用效率低47设计关注问题设计自动化引出的问题数字设计人员了解数字集