1972/74年：NMOS微处理器


功耗：NMOS让位于CMOS
1.2 集成电路产业的简要历史

CMOS

1970年：工艺进步导致好的性价比 集成规模增大功耗瓶颈 Bi-CMOS


其它工艺

高速存储器和门阵列 面积/功耗/速度优，成本高 速度优

SOI


GaAs/SiGER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION


功能增加灵活 规模/速度随工艺按比例下降而优化 对工艺/电压/温度不敏感
1.1 绪论

电路设计应考虑：


可靠性 速度 功耗 面积 成本
1.1 绪论

数字系统设计

规格说明书（spec）

包含整个系统所需要的特性，定义输入、输出、环境条件、 操作速度等 用Verilog或VHDL实现 通过综合工具实现 通过版图设计工具实现，通常以GDS-Ⅱ格式表示
功耗将成为主要问题
100000
10000
Power (Watts) 1000 100
18KW 5KW 1.5KW 500W Pentium® proc
286 486 8086 386 10 8085 8080 8008 1 4004
0.1
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Year
第一章 深亚微米数字集成电路设计


1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
绪论 集成电路产业的简要历史 数字逻辑门设计的回顾 数字集成电路设计 数字电路的计算机辅助设计 面临的挑战
1.1 绪论

集成电路的应用



高性能计算 仪表和工业控制 通信 消费电子

数字电路与模拟电路相比的优势
每代领先的微处理器工作频率每2年翻一番
摩尔定律——功耗
100 P6 Pentium ® proc 10 8086 286 1 8085 8080 486 386 Power (Watts)
8008 4004
0.1 1971 1974 1978 Year 1985 1992 2000
每代领先的微处理器功耗持续增长
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975


摩尔定律（Moore’s Law）
Electronics,
2000
2010
要符合摩尔定律，芯片尺寸每年需增长14%
摩尔定律——工作频率
10000
每2年增加1倍
Frequency (Mhz) 1000 100 486 10 1 0.1 1970 8085 8086 286 386 P6 Pentium ® proc
8080 8008 4004 1980 1990 Year 2000 2010
486
0.001 1970
每代领先的微处理器的晶体管数目每2年增加一倍
摩尔定律——芯片尺寸
100 Die size (mm)
10 8080 8008 4004 1 1970 1980 8086 8085 286
386
P6 Pentium ® proc 486
每年约增加7% 每10年约增加2倍
1990 Year
1.2 集成电路产业的简要历史

MOS

1925年：IGFET绝缘栅场效应晶体管（Lilienfeld）

缺乏对材料的了解和栅稳定性问题的认识

1963年：CMOS逻辑门（Wanlass）

工艺复杂性

1970年：PMOS计算器 1970年：NMOS存储器

高密度：4Kbit
高速：Intel 4004/8080
1.2 集成电路产业的简要历史
第一个晶 体管 1947，贝 尔实验 室
1.2 集成电路产业的简要历史
第一块集成电路 ECL（射极耦合逻 辑） 3输入逻辑门 Motorola，1966年 1960年代是双极型 电路时代
1.2 集成电路产业的简要历史

双极型



1947年：晶体管（Bardeen/Bell Lab） 1949年：双极型晶体管（Schockley） 1956年：数字逻辑门（Harris） 1962 年 ： TTL （ 晶 体 管 - 晶 体 管 逻 辑 ） 系 列 （Beeson/Fairchild） 1974年：ECL（射极耦合逻辑）高速系列（Masaki） 1972年：I2L（集成注入逻辑）低功耗高密度系列（Hart） 功耗问题：让位于MOS（metal-oxide-semiconductor）
能量的传递和耗散将变得不可能
功率密度
10000 Power Density (W/cm2)

寄存器传输级（RTL）设计


门级设计


版图设计


制造

包括流片、封装、测试等
1.2 集成电路产业的简要历史
第一台机械计算机 1832年，Babbage的 差动引擎 （Difference Engine Ⅰ）工作部件
问题：设计复杂，成 本高
1.2 集成电路产业的简要历史
第一台电气计 算机（1946） ENIAC（电子 数字积分计算 机） 18000个真空 管 问题：可靠性， 功耗，成本
十亿颗晶体管！
1,000
100 10
8086 i386 80286
i486
Source: Intel
1 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Projected
摩尔定律——微处理器
1000 Transistors (MT)
100
10 1 0.1 0.01 8085 8086 8080 8008 4004 1980 1990 Year 2000 2010 386 286 P6 Pentium® proc
April 19, 1965. Gordon Moore


单片集成晶体 管数目每18或 24个月增长一 倍 半导体工艺的 效力每18个月 增长一倍
复杂度的演变——存储器
晶体管数目
K 1,000,000 100,000 10,000
Pentium® III Pentium® II Pentium® Pro Pentium®