数字集成电路

DigitalIntegratedCircuits

ADesignPerspectiveIntroductionJanM.RabaeyAnanthaChandrakasanBorivojeNikolic12WhatisanIC?3集成电路产业结构集成电路产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一。为了适应激烈的竞争、实现最大价值的内在要求，产业结构发生了很大的变化：最初以“全能型”企业为主体现在为垂直分工越来越清晰的“专业型”企业为主体4集成电路产业链

整机生产

IC设计设计工具软件开发

IC制造材料制备IC封装设备制造

IC测试

5集成电路产业结构演化路线6一、早期的集成电路产业结构早期的IC产业以全能型企业为主，称为IDM:

集整机产品和IC设计、制造、封装和测试等生产全过程于一身。最早开始投资IC产业的IDM多为美国电子企业

德州仪器、仙童、Motorola、IBM、DECD等这些公司投资IC产业主要为自身整机产品服务

提升产品质量，降低成本，争夺市场7二、材料、设备业分离后的集成电路产业产品形态明晰的设备业、材料业最先从这些“全能企业”中分离出来。整个产业系统分化为集成电路业、半导体设备业和半导体材料业三个子产业。材料、设备业开发技术难度大，属于基础科学类开发费用高，因此进入门槛高。半导体设备制造业被日本东京电子、荷兰ASML等欧美企业垄断。国内材料业公司有：有研院、海纳、新傲等。8硅纳米电子学材料早期所需材料种类相比于目前很少9三、封装、测试业分离后的集成电路产业二十世纪70年代，封装、测试业逐渐从整个产业中分离出来。

封装、测试技术已物化到了设备技术和原材料技术之中

剩下的生产工序转化为劳动力密集型工作

发达国家将封装测试转移到本土以外的其他地区台湾企业在全球封装测试产业中所占的比重最大，全球前5大封测厂占3席10四、设计业分离后的集成电路产业八十年代Daisy公司首先实现了计算机辅助工程技术CAE,集成电路设计技术开始部分物化到设计工具中。随着EDA工具的发展，库的概念、工艺模型参数及其仿真概念的引入，IC设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。随着PC机的广泛应用，IC产业已进入以客户为导向的阶段，集成电路产业从一个标准产品竞争时代进入到一个用户定制产品的时代。专门从事IC设计的公司开始大量出现。11

处于产业链前端的设计业被认为地位最稳固并可控制整个产业链。目前，我国集成电路产业已经形成了IC设计、芯片制造、封装测试三业并举及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。IC设计业方面，目前以各种形态存在的设计公司、设计中心、设计室以及具备设计能力的科研院所等IC设计单位已有近上千家。产品设计的门类已经涉及计算机与外设、网络通信、消费电子以及工业控制等各个整机门类和信息化工程的许多方面。中国IC设计公司远远无法满足市场的需求。

AltoBeam高拓讯达公司大唐微电子技术有限公司北京君正集成电路股份有限公司硅谷数模半导体（中国）有限公司昆天科微电子圣邦微电子（北京）股份有限公司北京兆易创新北京京微雅格京芯博创技术有限公司锐迪科微电子（上海）有限公司上海贝岭股份有限公司帝奥微电子（DIOOMicrocircuitsLtd）上海英联电子科技有限公司展讯通信（上海）有限公司上海华虹集成电路有限责任公司格科微电子（上海）有限公司上海山景集成电路技术有限公司福州瑞芯微电子有限公司深圳市芯海科技有限公司敦泰科技有限公司杭州国芯科技股份有限公司上海复旦微电子深圳市海思半导体有限公司杭州士兰微电子股份有限公司12五、加工业分离后的集成电路产业制造工艺水平的不断提高，对生产线的投入越来越大，多数IDM无力承担如此之高的费用。于是只专注于芯片制造的代工企业出现了。1987年，全球第一家集成电路制造专业代工服务公司―台积电（TSMC）成立。半导体代工阵营中的前四大企业为：台积电（TSMC）、联电(UMC)、中芯国际(SMIC)、特许(Chartered)以X-Fab、JazzSemiconductor为代表的企业以提供特殊Foundry服务(RF、Analog)而拥有自己的一席之地。无生产线的IC设计公司（Fabless）与IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成为IC产业发展的重要模式。13六、整机业务分离后的集成电路产业“IDM公司”从”综合型IDM公司”中剥离出来专门从事半导体产业的设计、制造、封装和测试，不从事整机业务。专业型IDM公司具有更高的运作效率。Motorola、Siemens、Philip等欧美综合型IDM公司将半导体业务单独剥离出来，分别成立了Freescale、Infineon、NXP等专业型IDM公司。日本的综合电子企业NEC和日立公司，剥离其存储器部门联合成立存储器大厂Elpida。日立、三菱的非存储器部门又分离出来联合成立瑞萨半导体公司14受到世界经济低迷影响，2012年全球半导体市场同比下降了2.7%（SIA数据），为2,916亿美元。国内集成电路产业在宽带提速、家电下乡等宏观政策影响下好于全球市场。根据中国半导体行业协会统计，2012年中国集成电路产业销售额为2158.5亿元，同比增长11.6%。其中，设计业继续保持快速增长态势，销售额为621.68亿元，同比增长18.1%；制造业销售额501.1亿元，同比增长16.1%；封装测试业销售额为1035.67亿元，同比增长6.1%。

根据国家统计局统计，2012年国内集成电路产量823.1亿块，同比增长14.4%。

根据海关统计，2012年中国集成电路产品进口金额为1920.6亿美元，同比增长12.8%；2012年中国集成电路产品出口金额为534.3亿美元，同比增长64.1%。15

集成电路“十二五”规划提出，国内集成电路产业要在“十一五”取得的基础上进一步加速发展。到2015年，产业规模在2010年的基础上再翻一番以上，销售收入超过3000亿元，在世界集成电路市场份额提高到14%以上，满足国内30%的市场需求。根据中国半导体行业协会统计，2013年上半年中国集成电路产业销售额为1155.8亿元，同比增长14%。其中，设计业依然增速较快，销售额为331.7亿元，同比增长32.8%；制造业销售额305.4亿元，同比增长10.1%；封装测试业销售额518.7亿元，同比增长6.6%。

根据海关统计，2013年上半年进口集成电路1282.3亿块，同比增长19.5%；进口金额1172.1亿美元，同比增长41.7%。出口集成电路714亿块，同比增长50%；出口金额524.6亿美元，同比增长191.6%。

16“十一五”期间，虽然投资半导体的总投资额不少，但投资项目中很多都集中到了光伏电池、LED等方面，真正投在IC芯片制造线的项目数量稀稀松松。不但项目之间的数量分布和继承性很不连贯，而且所投项目的市场目标和工艺种类等也都十分缺乏明显的前瞻性，而且还出现了在成都的芯片生产线投资失败的案例。

进入2012年以来，先后出现了三星西安IC项目，投资70亿美元，工艺技术水平为12英寸硅圆片，主打产品为NAND

FLASH存储器;

北京市与中芯国际72亿美元建设两条月产能各为3.5万片、技术水平为40纳米～28纳米的12英寸集成电路生产线-2013年开始见效。

世界IC技术的新一轮进步，3D工艺的出现、NAND

FLASH存储器需求的突起、22纳米以下最新工艺技术的进展等，这些都是目前我国集成电路工艺技术鞭长莫及的，这将重新拉开我国与世界先进水平已经缩短了的差距。17“国家给资金不如给政策”什么原因导致了投资者的观望和减速呢?

主要是投资越来越大、风险越来越高，许多世界级大公司都已经快玩不起了。业界里有许多人认为最后可能只有INTEL、台积电和三星能够发展下去，其余公司都有可能面临被洗牌的考验。

借布局IPv6和物联网的机会，将其分为两种情况，即与国家安全有关的部分和纯市场化竞争的部分。

对与国家安全相关的基础网络，如公安、金融、国防、政府网站及敏感信息等领域，参照并借用二代身份证、北斗导航卫星、手机SIM卡等成功经验和案例，把它们划分出来，颁布特定目标下的特别规定，把这些安全敏感的CPU规定成国家安全产品，从CPU研制、操作系统研发、整机生产、应用网络布局等方面进行强制管理，由此实现对国产CPU等的扶持政策，建立起中国特色的国产CPU知识产权体系，绕开众多的国际知识产权纠纷.18Whatisthisbookallabout?数字集成电路介绍.CMOS器件和制造工艺.CMOSInverters反相器

gate门propagationdelay传输延迟

noisemargins噪声容限

powerdissipation能耗

sequentialcircuits时序电路

Arithmetic算法

interconnect互连memories存储programmablelogicarrays可编程逻辑阵列

designmethodologies设计方法.学到什么?理解,设计,从不同的角度优化数字电路的设计:

cost成本,

speed速度,powerdissipation能耗,reliability可靠性19DigitalIntegratedCircuits–数字集成电路IntroductionCMOS反相器Combinationallogicstructures组合逻辑结构Sequentiallogicgates时序逻辑门Designmethodologies设计方法Interconnect:R,LandC互连Timing 时序问题Arithmeticbuildingblocks运算功能模块Memoriesandarraystructures存储器和阵列结构201.1Reviewofhistory数字IC设计与之前相比有何不同?未来会如何发展变化?21TheFirstComputerTheBabbageDifferenceEngine差动引擎(1832)25,000partscost:£17,470Decimals“十进制”

“+-×÷”

Twocycle

storage

execution

Pipelining

流水线操作复杂性

成本!22ENIAC-Thefirstelectroniccomputer(1946)18,000Vacuumtube70000Resistor10000Capacitor6000RelayMooreSchool，Univ.ofPennsylvania大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000/sec；重量：30吨；功率：140kW；平均无故障运行时间：7minUNVACIFirstcommercial23晶体管革命FirsttransistorBellLabs,1948晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿24TheFirstIntegratedCircuitsECL(Emitter-CoupledLogic)射极耦合逻辑3-inputGateMotorola1966

1949Schockley:Nesistor

双极场效应晶体管1956Bipolargate

双极型数字逻辑门

1958JackKilby(TI):IdeaofIntegratedCircuit(Ge)1962TTLFairchildMicrologicfamily2526除了物理原理，很多新工艺的发明也为集成电路的发展提供了条件

50年代，美国人奥尔和肖克莱发明离子注入工艺56年，美国人福勒发明扩散工艺60年，卢克和克里斯坦森发明外延生长工艺70年，斯皮勒和卡斯特兰尼发明光刻工艺，使集成电路从点接触向平面工艺过渡

BipolarTransistors:双极场效应晶体管

JunctionFieldEffectiveTransistor(JFET):

结型场效应晶体管

Metal-Oxide-Semiconductor(MOS)Devices:

金属-氧化物-半导体NPNebcNPNtransistorP-N+N+MetalP+BSDGNMOSDevicePNPSDGN-channelFETSemiconductorDevices半导体器件27MOSFET(IGFET)绝缘栅场效应晶体管

IsolatedGateFieldEffectTransistor

1925J.Lilienfeld(CA):apatent

;

1970’sPMOS，firstlyusedinICs;

1972,1000transistors,1MHzoperation:NMOSfasterPMOS(Intel4004);

功耗：CMOS转变281979年

16Bit2.9万晶体管

5到8MHz1.5µm

1985年

32Bit27.5万晶体管

16到32MHz1µm8088Intel3861971年第一个微处理器2000多个晶体管10μm的PMOS工艺1982年286微处理器13.4万个晶体管频率6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz4044Microprocessor400429

1989年25到50MHz1-0.8µm

32Bit120万晶体管Intel486Pentium1993年3月

32Bit310万晶体管

60到166MHz0.8µm30P6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25500Ktransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD>20WtypicalpowerDissipation387pins·1999年2月，英特尔推出PentiumIII处理器，整合950万个晶体管，0.25μm工艺制造·2002年1月推出的Pentium4处理器，其整合5500万个晶体管，采用0.13μm工艺生产2002年8月13日，英特尔开始90nm制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；2005年顺利过渡到了65nm工艺。31

2007年英特尔推出45nm正式量产工艺，45nm技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再服役10年。3209年32nm技术高-K（绝缘性）金属栅极晶体管技术：业界最短的栅极长度

高K材料的等价氧化物(电介质)的厚度从45纳米工艺时的1纳米缩小至0.9纳米，栅极长度缩小到了30纳米，所以单位面积可以集成更多晶体管。处理器的同比封装尺寸将是45nm产品的70%。业界最窄的栅极间距：晶体管的栅极间距只有112.5纳米与45纳米技术相比，PMOS型晶体管的漏电量减少到原来的十分之一，NMOS型晶体管的漏电量降到原来的五分之一。无效功耗降到更低的水平半导体晶体管技术中最为有效的晶体管驱动电流在临界层上使用浸没式光刻技术，蚀刻电路更加精细和精确晶体管性能提升22%9个铜导线低-k互连层，更低电阻率33P-N+N+MetalP+BSDG11年22nm技术IvyBridge3-D(Tri-Gate)Tick-Tock发展模式:每两年进行一次架构大变动——“Tick”年（奇数年）实现制作工艺进步，“Tock”年（偶数年）实现架构更新。343536提高单位面积晶体管的数量:可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。Intel还计划今后继续提高硅鳍片的高度，从而获得更高的性能和效率。显著提升供电效率、降低能耗：全新的3DTri-Gate能够提供同等性能的同时，功耗降低一半。新的接口极大的减少了漏电率。相比现在的32nm制程，处理器电压可降低0.2V。晶体管工作在更低的电压下，功耗也会得到显著下降，处理器的工作频率也会得到相应的提高。加速移动处理芯片的步伐摩尔定律得到延续平面晶体管数量的提升只能纯粹的依靠新的工艺，Tri-Gate技术的引入，晶体管数量提升就变得非常容易，摩尔定律将会依旧成立37对ARM形成强有力的挑战！英特尔推出下一代芯片技术，在微处理器装上更多的晶体管，并希望借此帮助公司掌握平板、智能手机市场的话语权。2011年底推出了采用新技术的芯片，提供给服务器和台式机、笔记本，它还会为移动设备开发新的处理器。38未来方向：多核微处理器39AMD四核“Barcelona”处理器采用300mm晶圆，45纳米技术制造4041集成电路不同发展阶段的特征参数TTL电路是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种多等特点。从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品：第一代TTL包括SN54/74系列，(其中54系列工作温度为-55℃～+125℃，74系列工作温度为0℃～+75℃)

，低功耗系列简称LTTL高速系列简称HTTL。第二代TTL包括肖特基箝位系列(STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)。

第三代为采用等平面工艺制造的先进的STTL(ASTTL)和低功耗STTL(ALSTTL)。由于LSTTL和ALSTTL的电路延时功耗积较小，STTL和ASTTL速度很快，因此获得了广泛的应用。42各类TTL门电路的基本性能：43TTL电平和CMOS电平TTL电平：

输出高电平

＞

2.4V

输出低电平＜0.4V

输入高电平

≥

2.0V

输入低电平≤0.8V

噪声容限是0.4VCMOS电平：

逻辑1电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V，且具有很宽的噪声容限。因为TTL和COMS的高低电平的值不一，所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压。

TTL5V《＝＝》CMOS3.3V44TTL和COMS电路比较TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

CMOS电路速度慢，传输延迟时间长(25--50ns)，但功耗低。CMOS电路的锁定效应：

CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。45CMOS电路的使用注意事项(1)CMOS电路是电压控制器件，它的输入阻抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。(2)输入端接低内阻的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。(3)当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。(4)当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻，电阻值为R=V0/1mA.V0是外接电容上的电压。(5)CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。461.2ProblemsinDICDIn1965,GordonMoorenotedthatthenumberoftransistorsonachipdoubledevery18to24months.Hemadeapredictionthatsemiconductortechnologywilldoubleitseffectivenessevery18monthsMoore’sLaw47TheRoadmap48Moore’sLawElectronics,April19,1965.49复杂性的演进50TransistorCounts晶体管数1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium®Pentium®ProK1BillionTransistorsSource:IntelProjectedPentium®IIPentium®IIICourtesy,Intel51Moore’slawinMicroprocessors40048008808080858086286386486Pentium®procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors(MT)2Xgrowthin1.96years!TransistorsonLeadMicroprocessorsdoubleevery2yearsCourtesy,Intel52DieSizeGrowth芯片尺寸的增长40048008808080858086286386486Pentium®procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)~7%growthperyear~2Xgrowthin10yearsDiesizegrowsby14%tosatisfyMoore’sLawCourtesy,Intel53FrequencyP6Pentium®proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)LeadMicroprocessorsfrequencydoublesevery2yearsDoublesevery

2yearsCourtesy,Intel54PowerDissipation功耗P6Pentium®proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)LeadMicroprocessorspowercontinuestoincreaseCourtesy,Intel55Nano-DeviceStructureEvolution56WhyScaling?工艺减小为原尺寸0.7/代芯片功能增加两倍;芯片成本无显著增加单个功能的成本降低一半，但是……如何设计芯片实现更多的功能?工程师的人数不会每年增加一倍….更有效的方法对不同层级抽象化57DesignAbstractionLevels设计的抽象层次n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM58器件电路门模块系统IntelPentium(IV)microprocessor整数和浮点单元的很大一部分采用了一种特定的以单元为基础的标准单元方法来设计。59Exam1:ChallengeofclockΦ(t)t(nsec)InRRoutΦΦ’00InΦΦ’δOut’OutClockErrorR工作在上升沿60确保下一个操作开始前所有的操作均已完成时钟对准61集成电路设计需要的知识范围

1)系统知识计算机/通信/信息/控制学科2)电路知识更多的知识、技术和经验3)工具知识任务和内容相应的软件工具工艺知识元器件的特性和模型/工艺原理和过程设计相关的参考书、期刊和会议621.3EvaluationofDigitalCircuitDesign数字设计质量评价

NRE(non-recurrentengineering)costs固定成本designtimeandeffort,maskgeneration掩膜版制备one-timecostfactor

一次性投入:研发设备、基础设施等Recurrentcosts可变成本siliconprocessing硅片处理,packaging封装,test测试proportionaltovolume与产量成正比proportionaltochiparea与芯片面积成正比1.3.1CostofIntegratedCircuits集成电路的成本63NRECostisIncreasing64CostperTransistor0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012cost:¢-per-transistorFabricationcapitalcostpertransistor(Moore’slaw)65DieCost芯片成本SingledieWafer12”(30cm)66划片机67Yield成品率68Defects缺陷a

取决于制造工艺复杂性，正比于掩膜板数量，约为369Exam2:芯片成品率晶圆直径:12inch芯片大小:2.5cm2缺陷:1/cm2α=3296-44=252dies芯片成品率:16%70SomeExamplesChipMetallayersLinewidthWafercostDef./cm2Areamm2Dies/waferYieldDiecost386DX20.90$9001.04336071%$4486DX230.80$12001.08118154%$12PowerPC60140.80$17001.312111528%$53HPPA710030.80$13001.01966627%$73DECAlpha30.70$15001.22345319%$149SuperSparc30.70$17001.62564813%$272Pentium30.80$15001.5296409%$417711.3.2可靠性-NoiseinDigitalIntegratedCircuits

Internalnoise内部噪声：与信号幅度成比例=>主要来源Outsidenoise外部噪声：与信号和电源无关工艺导致的尺寸、参数差异=》影响电路电特性芯片内外噪声源噪声：在逻辑节点上不希望发生的电压和电流的变化。i(t)

Inductivecoupling电感耦合

Capacitivecoupling电容耦合PowerandgroundNoise电源线和地线噪声v(t)VDD72

数字信号表示方法：Booleanlogic布尔逻辑VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)逻辑变量X由不连续的电荷量表示节点电压可能是一个连续范围的值额定电平-逻辑状态：逻辑摆幅73

VoltageTransferCharacteristic(电压传输特性)V(x)V(y)VOHVOLVM

VIHVILfV(y)=V(x)SwitchingThreshold门阈值电压VS晶体管阈值电压正常电压水平VOH=f(VOL)VOL=f(VOH)VM=f(VM)Aninverter反相器短接输入-输出！！74MappingbetweenanaloganddigitalsignalsVILVIHVinSlope=-1Slope=-1VOLVOHVout“0”VOLVILVIHVOHUndefinedRegion“1”TransitionWidth,TW过渡区域可接受的低电压可接受的高电压75DefinitionofNoiseMargins噪声容限Noisemarginhigh高电平噪声容限Noisemarginlow低电平噪声容限VIH

VILUndefinedRegion不确定区"1""0"VOH

VOLNMHNMLGateOutputGateInput串联的反相器门76RegenerativeProperty再生性RegenerativeNon-RegenerativeGainoftransitionregion过渡区增益>177Exam3:Inverterchain

Achainofinvertersv0v1v2v3v4v5v6

SimulatedresponseV0:2.1~2.9VV1:0.6~4.45VV2:VOL~VOH78Fan-inandFan-out扇入和扇出NFan-outNFan-inMMN↑=>逻辑输出电平79TheIdealGate理想门R