集成电路历史与发展趋势学时

集成电路历史与发展趋势学时第1页/共39页2为什么要设计集成电路？分为两个问题为什么要使用电子系统？为什么用集成电路构建电子系统？以计算机的发展为例从机械到电子从电子管到晶体管从晶体管到集成电路第2页/共39页3第一台计算机(1832)Babbage（巴贝奇）差分引擎25000个零部件3位10进制计算花费：£17470第3页/共39页4第一台电子计算机(1946)ENIACElectronicNumeralIntegratorandComputer，电子数字积分计算机17468个电子管6000个开关可做到每秒5000个数的加法运算第4页/共39页5第一个晶体管(1947)WilliamShockley,WalterBrittain&JohnBardeen(贝尔实验室)锗材料1956NoblePrize电子管统治了20世纪的前半部分:体积大、价格昂贵、功耗大、稳定性差现在，这一切改变了！第5页/共39页6晶体管计算机TX-0(MIT,1953)Transistor(Manchester,1955)第6页/共39页7第一块集成电路(1958)JackKilby(TI)5个器件锗材料2000NoblePrize集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互联线把它们连接起来，成为一个电子器件。第7页/共39页8第一块商用集成电路(1961)Fairchild（仙童）1bit存储器4个晶体管和5个电阻小规模集成电路的时代开始了Fairchild被认为是硅谷人才摇篮第8页/共39页9处理器的诞生(1971)Intel40042300个晶体管第一个单芯片计算机标志着大规模集成电路时代的开始10um工艺4位数据位宽108KHz主频第9页/共39页10使用IC来构建电子系统电子系统的构建从电子管开始，然后让电子管小型化晶体管替代电子管，然后让晶体管小型化元器件越来越便宜，但是再便宜也要成本整个系统的成本和复杂度相关集成电路的出现让电路的制造变得像印照片一样容易元器件可并行制造 成本和元器件个数无直接关系第10页/共39页11集成电路的优点集成的特性有利于减小体积提高速度降低功耗集成降低了制造成本几乎不存在组装的成本第11页/共39页12处理器继续发展1974,Intel8080第一颗通用微处理器8位数据宽度,4500个晶体管1979,Motorola68000最强大的16位微处理器之一68000个晶体管大规模IC时代的标志性产品1981,HPFocusChip早期的32位处理器450,000个晶体管超大规模集成电路(VLSI)时代来临第12页/共39页13Pentium4(2001)0.18um工艺1.4~2GHz主频L2缓存:256KB总线速度:400MHz晶体管数:4200万功耗:44-55W典型应用:PC第13页/共39页14IntelCore2(2006)2.9亿个晶体管3GHz主频65nmCMOS工艺面积143mm2第14页/共39页15VLSI发展带来的变化Cray-1:世界上最快的计算机(1976-1982)64Mb存储器(50nscycletime)40Kb寄存器(6nscycletime)1百万门(4/5inputNAND)80MHz主频功耗115kWIn90nm工艺(2005)64Mb=>9mm240Kb寄存器=>0.13mm21百万个NAND4gates=>4mm23.5mmx3.5mm芯片面积,和指甲大小接近CRAY-1第15页/共39页16微处理器路线图(Intel)2007年，晶体管诞生60周年之际,Intel发布45nm工艺的Penryn微处理器,拥有8.2亿个晶体管。第16页/共39页17VLSI的发展趋势晶体管更小,更快,更低功耗,更便宜几十年前，GordonMoore已经预见了这种趋势，并成功做出了预测。第17页/共39页18摩尔定律1965,GordonMoore预测单个芯片上的晶体管数目每18~24个月会增加一倍GordonMooreIntelCo-Founder&ChairmanEmeritus第18页/共39页19晶体管数目第19页/共39页20工作频率第20页/共39页212000年预测的功耗真是如此？第21页/共39页22实际功耗第22页/共39页23功率密度功率密度的升高，导致散热成本大大增加第23页/共39页24散热不好有何结果？图片来自/2001/09/17/hot_spot第24页/共39页25摩尔定律能维持多久？历史证明了摩尔定律是正确的它会失效吗？物理限制:65nm工艺下，SiO2的厚度大概是5个原子直径大小经济限制:技术的发展需要金钱支撑摩尔在2007年说，“摩尔定律”还可以继续保持10年，但之后就很难了。第25页/共39页26摩尔定律的影响新一代的制造工艺是原来的0.7倍新一代的芯片可集成原来2倍的功能，而芯片面积却没有明显增加同样功能的芯片，成本降低一半但新的挑战也随之而来……第26页/共39页27设计复杂度集成了越来越多的晶体管，难以用传统的手工方法来设计和处理解决方法：CAD工具层次化设计设计复用第27页/共39页28功耗和噪声功耗变大，散热成为不得不考虑的问题电路复杂以后，产生噪声和互相干扰解决方法:更好的物理设计第28页/共39页29连线面积器件多了以后，互连线也随之增加，连线占用了大量的硅片面积解决方法:增加更多的连线层使用CAD工具进行三维布线第29页/共39页30互连线延时互连线变长，连线上的延时增加，成为限制电路性能的主要因素之一解决方法:使用铜材料做互连在物理上优化连线的长度，增加驱动能力，优化驱动器第30页/共39页31设计能力第31页/共39页32设计方法如何设计功能越来越多的电路?芯片的规模每两年增加一倍，但设计工程师的数量并没有每两年增加一倍所以，我们需要高效的设计方法用层次化抽象的方法来设计电路第32页/共39页33VLSI不同层次的抽象设计规范(whatthechipdoes,inputs/outputs)架构majorresources,connections功能logicblocks,FSMs,connections电路transistors,parasitics,connections版图masklayers,polygons逻辑gates,flip-flops,latches,connections第33页/共39页34芯片的层次n+n+SGD+物理器件晶体管电路门电路功能模块芯片第34页/共39页35Futureofscaling第35页/共39页36Morethanmoore随着线宽越来越小，制造成本在成指数的上升；随着线宽接近纳米尺度时，支配半导体的物理基础理论也越来越超越宏观的理论，而需要微观的量子理论，芯片的漏电也越来越大。一直驱动半导体行业的摩尔定律在经济和物理极限的作用下，不能再有效的引领这个行业的发展。目前互联网，泛在网络接入的发展，人们越来越多的关注超越摩尔定律或后摩尔时代。作为最现代化，最为精细化，最为技术密集的半导体行业怎样驱动人类工业文明的发展？也许：多层硅多功能芯片封装，作为sensor的MEMS和化合物半导体将引领半导体新的发展，这意味着技术上不再单纯依靠CMOS，而进入模拟技术（analog），射频技术（RF），传感及作动（sensorandactuator）综合时代，即开始芯片级系统时代system-on-chip。第36页/共39页37Review（1）摩尔定律1965,GordonMoore预测单个芯片上的晶体管数目每18~24个月会增加一倍实际上单个芯片上的晶体管数目每两年增加一倍工作频率每两年提高一倍，现在已放慢了速度功耗曾经每两年提高不止一倍，现在已不再增加因为功率密度的增加会导致散热成本大大增加。第37页/共39页38Review（2）摩尔定律所带来的挑战物理限制:65nm工艺下，