清华大学电子工程系罗嵘制作
2021/2/18
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集成电路发展预测 (ITRS’2019)
年份
2019 2019 2019 2019 2019 2019 2019
特征尺寸 (nm)
150
130
107
90
80
70
65
工作频率 (MHz)
1684 2317 3088 3990 5173 5631 6739
数字系统设计方法
参考文献 王金明，杨吉斌编著，数字系统设计与 Verilog HDL，电子工业出版社，2019
内容
• 引言
• 设计方法 • EDA技术 • IP与SOC • 实现方式 • 设计方式
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引言
• 数字系统的优点
• 数字系统的应用 • 数字系统的发展
– 器件发展 – 摩尔定律
• IC芯片
– IC发展蓝图 – 代表性IC芯片
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摩尔定律
• Moore’s Law • The observation made in 1965 by Gordon Moore, co-
founder of Intel, that the number of transistors per square inch on integrated circuits had doubled every year since the integrated circuit was invented. Moore predicted that this trend would continue for the foreseeable future. In subsequent years, the pace slowed down a bit, but data density has doubled approximately every 18 months, and this is the current definition of Moore's Law, which Moore himself has blessed. Most experts, including Moore himself, expect Moore's Law to hold for at least another two decades. • 大约每18个月，芯片的集成度提高1倍，而功耗下降1半
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应用
• 对信息进行处理、传输 • 计算机 • 家用电器 • 便携式设备 • 医疗设备 • 军用设备
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引言
• 数字系统的优点 • 数字系统的应用
• 数字系统的发展
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发展
• 器件和集成技术的发展
IC chips
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优点
• 易于设计 • 易于存储 • 精确度高 • 可编程 • 工作稳定度高，抗干扰能力强 • 便于大规模集成，芯片面积小
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引言
• 数字系统的优点
• 数字系统的应用
• 数字系统的发展
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自上而下设计方功能级描述
功能描述转换成 门级描述
功能仿真
门级描述 时序仿真
检查时序是否正 确（延时）
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自下而上
• 传统的积木式设计 • 在自下而上的设计中有时要用到自下而
上的方法 • 缺点：对整个系统缺乏规划
晶体管数 (M/cm2)
89
112 142 178 225 283 357
电源电压 (V)
1.1
1.0
1.0
0.9 0.9 0.7 0.7
International Technology Roadmap for Semiconductors
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IC发展的特点
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内容
• 引言
• 设计方法
• EDA技术 • IP与SOC • 实现方式 • 设计方式
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设计方法
• 半导体技术和计算机技术 • PLD器件和EDA技术 • 两种系统方法
– Top-down – Bottom-up
• 两种芯片版图方法
• 集成度越来越高，功能越来越多，芯片设计 越来越复杂；
• 特征尺寸不断减小，集成电路中的互连线密 度不断提高，线宽和间距越来越小，互连线 逐渐成为决定芯片性能的主要因素；
• 工作频率不断提高，这使得集成电路的信号 延时敏感度提高；
• 电源电压被不断降低，虽然低电压能够有效 降低芯片的功耗，但是同时也降低了集成电 路的噪声容限；
– 正向 – 逆向
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自上而下
• 自顶向下 • 设计方式 • 设计流程
设计验证修改设计再验证
• 优缺点
– 完全实现设计要求 – 需要反复多次设计流程 – 速度、功耗、价格和可靠性都较为合理 – 占据系统设计的主流地位
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优点
• Digital systems are generally easier to design
• Information storage is easy • Accuracy and precision are easier to
maintain throughout the system • Operation can be programmed • Digital circuits are less affected by noise • More digital circuitry can be fabricated on
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代表性芯片
• 微处理器Microprocessor • 可编程逻辑器件PLD • 数字信号处理器Digital Signal Processor • 存储芯片RAM/ROM • 光电集成芯片Optical Electronic IC
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