集成电路完整版本

集成电路—中国王钢

2012/3/16Contents

什么是IC1IC设计流程22012半导体产业热点4国内IC产业现状3什么是IC集成电路（integratedcircuit，缩写：IC）是采用半导体制作工艺，在一块较小的硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线方法将元器件组合成完整的电子电路。Intel4004IntelI74004I7制程10um32nm晶体管数量2.3k995m主频74kHz4GHzIC重要里程碑IC重要里程碑：1904年,弗莱明发明了第一只电子二极管(真空二极管)标志着世界从此进入了电子时代1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管的发明专利，使得电子管才成为实用的器件1947年,Bell实验室肖克利发明第一只晶体管(点接触三极管),标志了晶体管时代的开始1958年,TI基尔比研制成功第一块数字IC,宣布电子工业进入了集成电路时代IC的种类IC存储IC挥发性非挥发性DRAM（动态随机存取器）SRAM（静态随机存储器）MASKROM（光罩只读存取器）EPROM（可擦除可编程只读存储器）EEPROM（电可擦可编程只读存储器

）Flash（闪存）微器件ICMPU（微处理器）MCU（微控制器）DSP（数字信号处理器）CISC（复杂指令集）RISC（精简指令集）LogicIC标准逻辑ICASIC（特殊应用IC）系统核心逻辑芯片组视频信号控制芯片存储控制芯片其它输入/出控制芯片PLD（可编程逻辑器件）GateArrays（门阵列）全客戶設計AnalogIC线性IC（功率IC）数模混和ICSoC的定义如果一个集成电路芯片具有如下特征的话，即可称其为SOC（SystemOnChip），这些特征是：采用超深亚微米工艺技术实现复杂系统功能的VLSI；使用一个或多个嵌入式处理器或数字信号处理器（DSP）；具备外部对芯片进行编程的功能；主要采用第三方的IP（IntellectualProperty）核进行设计。

SoC

实例SoC

（SystemonChip)SoC设计CPULogicROMDRAMIPBlockBusIdea1PLLThirdPartyIPGlueLogicDigitalMod/De-modI/OInterfacesGPIORTCDMAUSB1394PCIProtocolDecoderA/DFLASHRAMEEPROMROMDRAMDACSecurityEncryptionDSPRISCCACHESeaofIPs3rd

PartyIPROMDACRISCIPBlockBusLogicROMDRAMIPBlockBusBusDSPIdeaNIdea2PlatformAPlatformBPlatformCRocketPlatformARocketPlatformBRocketPlatformCCPU架构CPU架构X86CPU嵌入式CPU高性能CPUARMMIPSAlphaSPARCPowerPC存储IC的发展存储IC挥发性非挥发性PCM相变存储器FLASHMASKROMMRAM磁性随机存储器SRAMDRAMEPROMEEPROMF-RAM铁电存储器摩尔定律1965年，戈登.摩尔在《电子》杂志上发表了一篇预测未来集成电路发展趋势的文章，它就是“摩尔定律”的原身，即所谓每18个月，相同面积大小的芯片内，晶体管数量会增长一倍的规则。Contents

什么是IC1IC设计流程22012半导体产业热点4国内IC产业现状3IC产业流程图IC测试厂硅原料拉晶切割研磨清洗晶圆材料厂电路设计CADTapeout电路设计公司Reticle

制作光罩制作厂硅片投入刻号清洗氧化化学气相沉积金属溅镀护层沉积蚀刻离子植入/扩散光阻去除WAT测试微影(光阻)(曝光)(显影)光罩投入集成电路制造厂硅片针测IC测试BurninIC封装厂封装打线切割客户IC制造流程芯片设计晶圆制造芯片封装芯片测试芯片制造光罩制造上游：设计中游：制造下游：封测IC设计IC设计-EDA&IP（占IC产业链产值30%）EDAIPEDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，并将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。IP是一种知识产权（IntellectualProperty），各个行业都有自己的知识产权，半导体行业领域IP我们理解为：硅知识产权（SiliconIntellectualProperty）也叫“SIP”或者“硅智财”。IP是一种事先定义、设计、经验证、可重复使用的功能模块。全球3万人从业人员，缔造50亿美元年产值----知识密集型行业，处于技术前沿年产值8亿美元，成长率超40%----知识密集型行业IC制造制造-光罩&晶圆（占IC产业链产值50%）MASKFoundry光罩（英文：Reticle,Mask）：在制作IC的过程中，利用光蚀刻技术，在半导体上形成图型，为将图型复制于晶圆上，必须透过光罩做用的原理[1]。比如冲洗照片时，利用底片将影像复制至相片上。製作一套光罩的費用在數萬美元至數百萬美元均有。目前一款晶片至少需用到八層光罩，较为复杂的产品需用到二、三十層光罩。光罩數愈多，生產過程也愈久。

晶圆代工是指向专业的集成电路设计公司提供专门的制造服务。这种经营模式使得设计公司不需要自己承担造价昂贵的厂房，就能生产。这就意味着，晶圆代工商将庞大的建厂风险分摊到广大的客户群以及多样化的产品上，从而集中开发更先进的制造流程。

资金密集型资金密集型知识密集型IC封测成品-封装&测试（占IC产业链产值20%）TESTAssembly晶圆测试晶圆测试为IC后端的关键步骤，标有记号的不合格晶粒会被洮汰，以免徒增制造成本。具承先起后的作用。IC成品测试

封装成型后的测试，目的是确认IC成品的功能、速度、容忍度、电力消耗、热力发散等属性是否正常，以确保IC出货前的品质。IC封装是将前段制程加工完成之晶圆经切割、黏晶、焊线等过后被覆包装材料，以保护IC组件及易于装配应用，IC封装主要有四大功能：1、电力传送2、讯号传送：3、热量去除4、静电保护测试并不须投入原料，无原料成本，但因设备投资金额大，固定成本高。封装业因设备投资金额不大，原料成本是制造成本的大宗，约占4-6成左右。EDA软件IC设计软件厂商：★

Cadence★

MentorGraphics★

Synopsys★

SpringSoft

★

华大九天IC设计简易流程规格制定HDL行为描述RTL设计逻辑设计电路设计电路布局正向设计与逆向设计逆向设计：借鉴以前成功的经验周期短见效快正向设计：提供系统解决方案周期长系列性正向设计逆向设计IC设计方法介绍Top-Down设计Top-Down流程在EDA工具支持下逐步成为IC主要的设计方法。设计方法Bottom-Up设计

自底向上(Bottom-Up)设计是集成电路和PCB板的传统设计方法，该方法盛行于七、八十年代，设计效率低，周期长，一次设计成功率低。模拟IC设计和数字IC设计区别这主要体现在三个方面：一是处理的信号不同，顾名思义，模拟电路处理模拟信号，数字电路处理数字信号；二是设计的级别不同，数字电路体现在系统设计，数字信号处理及其算法设计，模拟体现在电路级设计，这跟他们设计思路相关，因为模拟电路是功耗、噪声、线性、增益、电源电压、电压摆幅、速率、输入/输出阻抗的折中，而数字电路主要体现在速度和功耗之间的折中。第三是数字电路大部分是标准单元模块，更易于实现物理设计，而模拟电路设计流程大多需要设计者手动设计。MOS晶体管水路图水闸门排水口水路水源水流DrainSourceP-基板(0V)N+Gate源极

(0V)漏极(+5V)栅极(Gate)NMOS晶体管P-基板(0V)0V:不通5V:通----0V+5V+5VN+NMOS导通模式电流-Metal(金属线)Contents

什么是IC1IC设计流程22012半导体产业热点4国内IC产业现状3IC产业的分工演化IC产业垂直分工演化过程：国内IC产业区域分布特征目前，中国集成电路产业集群化分布进一步显现，已初步形成以长三角、环渤海，珠三角三大核心区域聚集发展的产业空间格局。2010年三大区域集成电路产业销售收入占了全国整体产业规模的近95%。

国内IC设计业主要集中在京津环渤海、长三角以及珠三角地区，2010年国内TOP40IC设计企业均分布在这三大区域。其中，京津环渤海地区拥有17家，长三角地区拥有18家，珠三角地区拥有5家。芯片制造业分布。截至2010年底，国内4英寸以上芯片生产线总计为55条，其中12英寸生产线5条，8英寸生产线15条。目前国内芯片制造业主要分布在长三角地区。该地区8英寸和12英寸芯片生产线数量为13条，占了国内整体数量的65%。封装测试业分布。目前国内封装测试业集中分布在长三角地区，特别是江苏省内。2010年国内封装测试业前20大企业中，江苏省的企业就达到了11家。

IC产业链基本成型设计Fabless制造Foundry封装、测试系统和整机厂商当前的核心问题是：提高Fabless环节的综合能力（设计、市场、管理）； 提升国产IC在整机环节的竞争力！虽然 我们是一直在追赶、从未有超越； 每个环节的供应链上还基本没有自主。但是 完整的产业链框架已经建立，有了起飞的基础条件。IC产业链特征价值链IC设计业IC制造业IC封装、测试业附加值高较高低要素特征知识密集型技术和资金密集型劳动密集型技术形态编码知识电路知识物化技术Knowhow技术物化技术中国IC产业经过了近十年的快速增长，已经建立起从设计、制造，到封装和测试的完整产业链，产业结构日趋合理。但中国IC产业的总体规模仍然偏小，占全世界IC总产量的比例不足1/3。中国国内IC市场的需求量70%仍然依靠进口.

大力发展IC设计产业，不仅能实现产业链自上而下的完善；更能带来高附加值，高技术含量的产业转型升级。IC公司的分类IDM：集成器件生产商

代表厂商：Intel、samsungFablite:轻晶圆厂商代表厂商：TI、STFabless：无晶圆厂商代表厂商：Qualcomm、ARM、Nvidia,、展讯、海思半导体、国民技术2011全球20大半导体厂商国内IC公司的热门市场应用通用中低端模拟器件（功放、电源、射频etc）专用模拟芯片（图像传感、电视调制解调等）多媒体芯片（音视频处理器）应用处理器（平板、电纸书、学习机等）机顶盒芯片手机基带芯片（展讯等）无线通信（GPS、BT等）细分的行业应用处理器（安防、指纹等）客观地说，最大的应用市场还是来自于“山寨”市场。TimeToMarket新技术应用的速度加快“Timetomarket”和“timetovolume”成为口头禅对设计周期的压力？！05101520YearsDVDCellularPCVCRCableTVColorTVB&WTV产品达到第一个百万台销量的时间1930’sPresentVCDiPad软件的重要性大型SoC（特别是应用处理器）硬件特性趋于同质化软件重要性>硬件软件成为产品的本质特性系统软件的挑战系统大型化，如何坚持嵌入式系统的核心精髓：紧凑、高效、稳定平行处理（多核多线程）下的高效编程应用程序的跨平台兼容性谁是功夫熊猫芯片设计流程比较标准化了，国内也拥有了一个比较有经验的工程和中层经理人才库系统架构师和关键软件高手之类的最核心人员成为稀缺从工程师配置来看，多数芯片公司的软件工程师>5x硬件工程师Foundry将扮演更重要的角色架构、算法和coding的重要性比较直观工艺正成为芯片性能、功耗和成本的最大综合影响因素而且从供应链管理角度来看，Foundry在关键时刻能决定小芯片公司的命运Wafer价格和产能支持芯片的成本结构“硬”成本＝Die+PackageDiecost=Waferprice/gooddieamount先进工艺使得晶体管形状变小单位面积能够集成更多电路

同样的芯片需要的diesize更小Gooddieamount=πr2*rate/diesizeNote：在硬成本上国内芯片公司其实处于劣势。工艺带来的挑战需要改进设计方法学和工具看起来这似乎不是太难；除了一个问题貌似还没有很好的经验来提供答案功耗！！！大问题是NRE成本的几何级上升正在某种程度上改变业态使设计公司也走变得资金密集型，极大提高了中小规模公司和初创公司的难度项目赢利所需的出货量更大；芯片公司规模向大型化靠拢Intel3D闸极晶体管32nm二维晶体管与22nm三维晶体管对比3DTri-Gate晶体管机构技术提高单位面积晶体管的数量3DTri-Gate能够显著提升供电效率、降低能耗国内代工市场根据IHSiSuppli的调查，整个中国代工市场去年是19.5亿美元。台积电：先进工艺首选中芯国际：主流工艺首选华虹NEC：特色工艺首选华润上华：模拟工艺首选IBM：华为海