获得2000年Nobel物理奖
1.1 集成电路（IC）的发展
获得2000年Nobel物理奖
集成电路的发明
• 平面工艺的发明 1959年7月， 美国Fairchild 公司的Noyce发明第一 块单片集成电路： 利用二氧化硅膜制成平面晶体管， 用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的 导电膜作为元器件间的电连接(布线)。 这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路 直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技 术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。
• 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次 提出了集成电路的设想。
• 1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比 (Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一 块集成电路，并于1959年公布了该结果。 锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器 件，用超声焊接引线将器件连起来。
正在向12英寸晶圆迈进； • 集成电路的规模不断提高, 最先进的CPU(P-IV)已
超过4000万晶体管, DRAM已达Gb规模；
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势 #3
• 集成电路的速度不断提高, 人们已经用0.13 m CMOS工艺做出了主时钟达2GHz的CPU ； >10Gbit/s的高速电路和>6GHz的射频电路；
①
Design kits
Fabless
Foundry
②
Internet
设计单位
Chip
Layout
③
代工单位
1.3 无生产线集成电路设计技术
FICD: fabless IC designer
Relation of FICD&VICM&Foundry
FICD 1
无生产线IC设计-虚拟制造-代工制造
FICD 2 FICD 3 FICD 4
• 集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统 SoC(System-on-Chip)成为开发目标；
• 设计能力落后于工艺制造能力； • 电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生
产线(Fablesபைடு நூலகம்)和无芯片(Chipless)集成电路设计提供 了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件.
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势
12 英 寸 (300mm) 0.09 微 米 是 目 前 量产最先进的 CMOS工艺线
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势 #2
• 特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前的主流 工艺是0.35、0.25和0.18 m，0.15和 0.13m已开始 走向规模化生产；
• 电路规模：SSISOC； • 晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英寸,
单片集成电路晶体管数
1.1 集成电路（IC）的发展
特征尺寸
人类头发丝 变形虫
红血球细胞
艾滋病毒
1.1 集成电路（IC）的发展
巴克球
电源电压
1.1 集成电路（IC）的发展
平均每个晶体管价格
1.1 集成电路（IC）的发展
摩尔定律还能维持多久？
• 经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的 正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？
工艺 元件数
门数 年代
典型 产品
SSI
<102
<10
1961 集成 门、 触发
器
MSI 102 ~ 10
3
10 ~ 102 1966
计数器 加法器
LSI 103 ~ 104 102 ~ 103
1971
8bMCU ROM RAM
VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105
1980
16-32bit MCU
Clock
1.1 集成电路（IC）的发展
摩尔定律（Moore’s Law）
• Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three years——True for at least 30 years! (Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出)
4004
1971
8008
1972
8080
1974
8086
1978
286
1982
386
1985
486DX
1989
Pentium® 1993
Pentium II 1997
Pentium III 1999
Pentium 4 2000
Transistors 2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000
集成电路设计基础
第一章 集成电路设计概述
华南理工大学 电子与信息学院 广州集成电路设计中心 殷瑞祥 教授
第一章 集成电路设计概述
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路（IC）的发展
• IC——Integrated Circuit； • 集成电路是电路的单芯片实现； • 集成电路是微电子技术的核心；
• 1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的 晶体管；
• 1947年12月23日第一个点接触式NPN Ge晶体管 发明者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年Nobel物理奖
1.1 集成电路（IC）的发展
获得1956年Nobel物理奖
集成电路的发明
40
76
385
430
1400 7
1600 7
1.2-1.5 1.2-1.5
300 12吋
300 12吋
2006
0.10
16G 200 520 2000 7～8 0.9-1.2 300 12吋
2009
0.07
64G 520 620 2500 8～9 0.6-0.9 450 18吋
2012
0.01
256G 1400 750 3000
Fabless
Design kits
0.25
DRAM容量 256M
晶体管数量(M)
11
芯片尺寸(mm2) 300
时钟频率(MHz)
金属层数
最低供电电压 (V)
最大硅片直径 (mm)
750 6
1.8-2.5
200 8吋
1999
0.18
1G 21 340 1200 6～7 1.5-1.8 300 12吋
2001 2003
0.15
0.13
1G~4G 4G
—计算机的心脏 • 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算
机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特 泰克公司认为：微处理器、宽带连接和智能软件将 是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新。
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路的发展水平的标志
• IC加工工艺的特征尺寸 (MOS晶体管的最小栅长、最小金属线宽)
集成电路的电源电压
2.5 2
1.5 Vdd
1 0.5
0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
1.1 集成电路（IC）的发展
Clock(MHz)
集成电路的时钟频率
3000 2500 2000 1500 1000
500 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
• 特征尺寸越来越小（最小的MOS管栅长或者连线宽度） • 芯片尺寸越来越大（die size） • 单片上的晶体管数越来越多 • 时钟速度越来越快 • 电源电压越来越低 • 布线层数越来越多 • I/O引线越来越多
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路发展规划（1997）
年份
最小线宽 (mm）
1997
VICM
Foundry I Foundry II
FICD n
VICM: virtual IC manufacture(虚拟制造)
( MOSIS, CMP, VDEC, CIC ICC…)
1.3 无生产线集成电路设计技术
Relation of FICD&VICM&Foundry
Fabless IC Design + Foundry IC Manufacture
• 集成度 （元件/芯片）
• 生产IC所用的硅片的直径 （6、8、12英寸）
• 芯片的速度 (时钟频率)
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路的发展
• 小规模集成（SSI）→中规模集成（MSI）→大规 模集成（LSI）→超大规模集成电路(VLSI)→特大 规模集成电路(ULSI)→GSI →SoC 。
• 集成电路的特征尺寸： • 130nm→90nm→60nm→45nm→30nm→?量子效应 • 集成电路光刻
费用急剧增加 数十万甚至上 百万美元！
1.1 集成电路（IC）的发展
第一章 集成电路设计概述
1.2 当前国际集成电路 技术发展趋势
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势 #1
关心工艺线
1.2 当前国际集成电路技术发展趋势
1.1 集成电路（IC）的发展
第一块单片集成电路
集成电路发展史上的几个里程碑
• 1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上
• 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 • 1968年Dennard——单晶体管DRAM • 1971年Intel公司生产出第一个微处理器芯片4004—
ULSI 106 ~ 107 105 ~ 106