超大规模集成电路第一章

超大规模集成电路第一章第一页，共34页。课程上课时间：每周一，三第一、二节课学时：40，学分：2上课地点：S306答疑时间（OfficeHour）：周三上午第三、四节，地点：N115（教师休息室）教材：数字集成电路—电路、系统与设计，JanM.Rabaey著,周润德等译，电子工业出版社，2004年。参考教材：超大规模集成电路与系统导论，JohnP.Uyemura著，周润德译，电子工业出版社，2004年。纳米CMOS集成电路—从基本原理到专用芯片实现，HarryVeendrick著，周润德译，电子工业出版社，2011年。不仅限于以上教材第二页，共34页。成绩平时成绩：50%文献阅读作业要求：认真思考，独立完成，按时提交，迟交扣分。期末成绩：50%（课堂开卷考试）课堂讲述的重点内容第三页，共34页。开课目的集成电路设计是未来科技发展的重要研究方向。集成电路设计有非常广阔的行业发展前景。IntelAMDXilinxAlteraTISTMTK龙芯中星微…第四页，共34页。课程目标广泛了解集成电路的基础知识，但对深度不做要求。学习集成电路的原理和应用。静态和动态门级电路组合逻辑电路时序电路了解集成电路国内外发展情况，发展方向。培养科研型和工程型人才。第五页，共34页。课程基础数学微积分概率统计数学建模数字电路数字逻辑电路电路基础第六页，共34页。课程内容第一章：介绍第二章：制造工艺第三章：器件第四章：导线第五章：CMOS反相器第六章：组合逻辑电路第七章：时序逻辑电路第八章：互连问题第九章：时序问题第十章：运算单元设计第七页，共34页。超大规模集成电路基础

FundamentalofVLSI第一章介绍第八页，共34页。集成电路集成电路将晶体管和电阻电容等器件组合在一起完成特定功能的电路目标：高集成度，低成本，低功耗在集成电路上“塞进”更多的元件集成电路的规模第九页，共34页。集成电路世界上第一台计算机计算机CPU第十页，共34页。摩尔法则戈登·摩尔(GordonMoore)

第十一页，共34页。集成电路应用应用范围计算机网络移动通信系统控制消费电子集成电路在手机中应用第十二页，共34页。数字电路设计层次抽象n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM第十三页，共34页。数字电路设计划分Architecture：描述系统功能Microarchitecture：描述Architecture如何划分成寄存器和功能单元Logic:描述如何构成功能单元Circuit：描述晶体管如何构成LogicPhysical：描述芯片的版图设计第十四页，共34页。设计尺度如何评估集成电路的性能成本可靠性速度功耗第十五页，共34页。固定成本NRE（non-recurrentengineering）cost与产品销售量无关设计开发时间和人力一次性投入：设备、基础设施、市场、销售可变成本直接用于制造产品的费用，与产量成比例部件生产成本组装费测试费集成电路成本第十六页，共34页。晶圆单个芯片成本计算每个集成电路成本=每个集成电路的可变成本+固定成本/产量可变成本=（芯片成本+芯片测试成本+封装成本）/最终测试的成品率芯片成本=晶圆成本/（每个晶圆包含芯片数x芯片成品率）集成电路成本第十七页，共34页。芯片成品率芯片成品率=（1+单位面积缺陷数x芯片面积/α）-α

(α约等于3)芯片成本=f（芯片面积）4集成电路成本第十八页，共34页。功能性和稳定性电路噪声逻辑点上不希望发生的电压和电流变化i(t)v(t)VDD电感耦合电容耦合电源线和地线噪声第十九页，共34页。功能性和稳定性数字信号表示数字信号信号离散化表示二进制数字信号电平与数字信号转换“0”VOLVILVIHVOH不确定区域“1”第二十页，共34页。功能性和稳定性电压传输特性VTC表示反相器的输入输出电压关系V(x)V(y)VOHVOLVM

VOHVOLfV(y)=V(x)开关阈值电压VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)第二十一页，共34页。功能性和稳定性VTC增益表示输入输出电压在局部的关系=dVout/dVinVILVIHVin斜率=-1斜率=-1VOLVOHVout“0”VOLVILVIHVOH不确定区“1”第二十二页，共34页。功能性和稳定性噪声容限高电平噪声容限低电平噪声容限VIHVIL不确定区"1""0"VOHVOLNMHNML门输出门输入第二十三页，共34页。功能性和稳定性再生性v0v1v2v3v4v5v6反相器链MOS反相器链的模拟响应第二十四页，共34页。功能性和稳定性再生性具有再生性门不具有再生性门第二十五页，共34页。功能性和稳定性抗噪声能力系统在噪声存在的情况下正确处理和传递信息的能力。噪声源类型与信号摆幅Vsw成比例的噪声gVsw（节点内部噪声源）固定噪声源fVNf"1""0"VOHNMHNML输出输入VOLVM第二十六页，共34页。功能性和稳定性扇入和扇出扇出连接到驱动门输出端的负载门的数目扇出影响门的逻辑输出电平扇入逻辑门的输入数目扇入较大的门比较复杂，会使静态和动态特性变差NM第二十七页，共34页。功能性和稳定性理想数字门过渡区增益无穷大门的阈值位于逻辑摆幅的中点高低电平噪声容限等于电压摆幅的一半输入阻抗无穷大输出阻抗为零dVout/dVin

=VinVoutNMHVin(V)Vout(V)NMLVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0第二十八页，共34页。性能数字电路的计算能力由其性能决定性能由时钟周期时间或时钟频率表示周期(cycle)越短，单位时间内的周期数越多，即时钟频率越高T=1/f时钟周期由多种因素决定信号通过逻辑电路的传播时间数据出入寄存器所需要的时间时钟延迟DClkQLogicDClkQ第二十九页，共34页。传播延时门的传播延时tp定义了它对输入端信号变化的响应速度第三十页，共34页。传播延时一阶RC网络的传播延时输出电压50%点的时间输出电压从10%到90%点的时间voutvinCR一阶RC网络第三十一页，共34页。功耗和能耗功耗