专用集成电路与系统设计
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绪论
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自20世纪70年代以来，集成电路一直遵循摩尔定律：
每两年集成度增加2 倍
成本降低一半 今后集成电路的技术进步，是否仍将继续遵循摩尔定律？
硅是否仍然是制造集成电路的主要材料？
世界集成电路还有多长时间的高速增长期？
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路、系统与设计》，周润德译，电子工业出版社
2）Sung-Mo Kang, CMOS Digital Integrated Cireuits Analysis and Design,Third Edition,（美国）康松默，《CMOS数字集成 电路》，王志功译 电子工业出版社 2009年06月
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设计关注问题
• 数字集成电路设计方法的演变
–手工制作������ 设计自动化
基于单元库和IP核、自上而下的层次化设计 设计抽象是关键������ ―分而治之”方法������ –加法器例子： 预设计好������ 模型������ 用于上层设计
>>模型参数可精确刻画行为
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微处理器单个芯片尺寸每年增长~7% 每10年增长~2X
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Intel 微处理器30年来的发展历史
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每晶体管成本
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Wafer（圆片）直径不断加大
1994年开始：8英寸（200mm） 2001年开始：12英寸（300mm）
• 涉及多个学科领域
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18nm FinFET
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FinFET（1999年发布 ）称为鳍（qi）式场效晶体管（FinFieldeffecttransistor；FinFET）是一种新的互补式金氧半导体（ CMOS）晶体管，闸长已可小于25奈米，未来预期可以进一步 缩小至9奈米，约是人类头发宽度的1万分之1。由于此一半导 体技术上的突破，未来芯片设计人员可望能够将超级计算机设 计成只有指甲般大小。 FinFET源自于目前传统标准的晶体管— 场效晶体管 （Field-effecttransistor；FET）的一项创新设计。在 传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧 控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中 ，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的 接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流（ leakage），也可以大幅缩短晶体管的闸长 。
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第一章
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− 里程碑
第一节历史的回顾： 微电子科学技术与IC 的发展进程
第一个晶体管 Brattain 与Bardeen Bell实验室 实用结型晶体管 Shockley, Morgan, Sparks 和Teal 第一个集成电路 Kilby TI公司 实用平面工艺IC Noyce 仙童公司 第一个MOS晶体管 Atalla, Kahng Bell实验室 集成度增长定律 Gordon Moore 仙童公司 1T- DRAM 专利 R.Dennard U.S.P3387286 第一个微处理器 4 bit Intel公司
（3）IR 压降和L(di/dt) 噪声的影响日趋严重
在低电源电压下，IR 压降和L(di/dt) 噪声将成为对集 成电路设计的又一挑战！
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（4）工艺偏差严重挑战设计的确定性
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芯片之间阈值电压的偏差
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− 1947年12月16日 − 1950年4月 − 1958年8月 − 1959年1月 − 1960年 − 1965年 − 1968年 − 1971年7月 − ……
− 集成电路规模定义
小规模 SSI 中规模 MSI 大规模 LSI 超大规模 VLSI 特大规模 ULSI 吉规模 GSI 太规模 TSI
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挑战集成电路设计的原因
（1）功耗和功率密度不断增长
最先进微处理器的功耗持续增长
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资料来源： Intel
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功率的传送和功耗将成为集成电路发展的主要障碍
资料来源： Intel
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微处理器功率密度的增长趋势
过高的功率密度使pn 结不能保持在较低的温度下
• 代的定义为4倍能力， 2年/代 至 3年/代。来自于：
– – – – 特征尺寸：0.7x，意味集成度2x。 速度：2x 芯片尺寸：1.5x，意味芯片面积2x 成本：单位功能成本0.7x/年
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阈值偏差引起频率分散
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频率与漏电的分布
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今后几十年摩尔定律将遇到前所未有的严重挑战
（计算密度、工作功耗密度、漏电功耗密度大幅度增长、芯片温升与冷却日 益严重）
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设计抽象层次
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网络时代的器件－超越体硅的发展
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第二节摩尔定律（Moore’s Law）
1965年，Intel公司的Gordon Moore 注意到单块芯片上的晶体 管数目每18至24个月（1.5年至2年）翻一倍。 他在美国《Electronics》杂志35周年纪念文章中预言： “芯片元件数每18个月增倍，而元件成本减半”
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降低集成电路功耗成为新的设计重点
传统的2D 的设计方法向包括功耗优化的3D 的设计方法转变
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（2）互连的设计和分析日趋复杂
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互连延时
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互连能耗
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国际半导体技术发展规划（ITRS）
（International Technology Roadmap for Semiconductors）
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美国全国半导体技术发展规划（1994）
NTRS（National Technology Roadmap for Semiconductor）
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第三节深亚微米（DSM）技术对集成电路设计的挑战
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产品复杂度不断增加给设计带来许多要解决的宏观问题
不断增长的市场需求 对半导体产品的功能和性能提出更高要求
手机
手机销售额
1996 1997 1998 1999 2000 单位：个 48M 86M 162M 260M 435M
Electronics, 1965年4月19日.
如果汽车工业具有与集成电路相同的开发周期，那今天的劳斯 莱斯只值100美元，而且每加仑汽油可以跑100万英里？？？
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Moore 定律
• IC能力随时间按指数规律增长
– – – – 特征尺寸与集成度 性能与功能 芯片尺寸与面积 成本
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另外一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术 （UTB-SOIUT， 2000年发布，FDSOI晶体管技术）。法国Soitec公司推出300mm
UTB-SOI的晶圆样品，这些晶圆的顶层硅膜原始厚度只有12nm
，然后再经处理去掉顶部的7nm厚度硅膜，最后便可得到5nm厚 度的硅膜。这便为UTB-SOI技术的实用化铺平了道路。 对下一代半导体芯片产品而言，22/20nm节点之后的下一代， FinFET和UTB-SOI均会有自己的用武之地。
“黑盒子”或“模型” 降低处理复杂度
>>参数简化，但足以精确到满足上一层设计需要
>>不直接面临众多晶体管，而是一组复用的单元
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设计关注问题
•自上而下的层次化设计流程
• 系统结构级 –算法：C++、matlab • 模块级 –RTL（VHDL/Verilog HDL语言） • 门级（逻辑） –逻辑综合/时序/功耗分析 • 晶体管级（电路） –模拟电路分析 • 器件级（版图） –布局布线/验证/后仿真
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《专用集成电路与系统设》参考资料
1）Jan M. Rabaey，Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic : 《Digital Integrated Circuits, A Design Perspective 》, Second Edition,Prentice Hall ，中译本：《数字集成电路，电
美国半导体行业协会（SIA）在美国政府的大力支持下，为
促进微电子技术的发展，协调各方面科研、生产工作，从
94 年开始，每隔两年制定或修改一次半导体技术发展规划 （开始称为美国半导体技术发展规划）。
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