正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？
• 集成电路的特征尺寸：
• 130nm→90nm→60nm→45nm→30nm→?量子效应 费用急剧增加 数十万甚至上 百万美元！ • 集成电路光刻
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
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；
• 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(Fabless)和无芯片(Chipless)集成电路设计提供
• 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, 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
VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105 1980 16-32bit MCU
ULSI 106 ~ 107 105 ~ 106 1990
GSI >107 >106 2000 P3 CPU
SoC
>5×10
7
10 ~ 102 1966 计数器 加法器
>5×106 2003 P4 CPU
DSP
1.1 集成电路（IC）的发展
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
巴克球
1.1 集成电路（IC）的发展
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
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；
元件 连线 I/O
1.1 集成电路（IC）的发展
单个芯片上的晶体管数
600 500
晶体管数（ M）
400 300 200 100 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 晶体管数
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路芯片面积
700
芯片面积（平方毫米）
600 500 400 300 200 100 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 芯片面积
1.3 无生产线集成电路设计技术
Fabless and Foundry: Definition
• What is Fabless? IC Design based on foundries, i.e. IC Design unit without any process owned by itself. • What is Foundry? IC manufactory purely supporting fabless IC designers, i.e. IC manufactory without any IC design entity of itself.
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。
DRAM容量
晶体管数量(M) 芯片尺寸(mm2) 时钟频率(MHz) 金属层数 最低供电电压 (V) 最大硅片直径 (mm)
1.1 集成电路（IC）的发展
集成电路工艺特征尺寸
0.3
特征尺寸（微米）
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1997 1999 2001 2003 2006 2009 工艺尺寸
1.3 无生产线集成电路设计技术
Relation of F&F(无生产线与代工的关系)
Design kits
①
Foundry
Fabless
Internet
②
Layout
设计单位
Chip
③
代工单位
1.3 无生产线集成电路设计技术
Relation of FICD&VICM&Foundry
FICD 1
集成电路的发展
1990年代以后, 工艺从亚微米(0.5到1微米)→深亚微米(小于 0.5m)→超深亚微米(小于0.25 m ，目前已经到了0.06 m) 发展。其主要特点：
• • • • • 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
应用电路系统
工艺加工
单片半导体材料
1.1 集成电路（IC）的发展
晶体管的发明
• 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：
W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain
• Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现
放大器的基本设想，Brattain设计了实验； • 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
2003
0.13 4G 76 430 1600 7 1.2-1.5 300 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 9 0.5-0.6 450 18吋
• 后人对摩尔定律加以扩展： 集成电路的发展每三年 – – – –
工艺升级一代； 集成度翻二番； 特征线宽约缩小30％左右； 逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30％。
1.1 集成电路（IC）的发展
Intel公司CPU发展
1.1 集成电路（IC）的发展
Intel公司CPU发展
Year of introduction 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
关心工艺线
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
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；
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
•
•
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
0.25 256M 11 300 750 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
0.15 1G~4G 40 385 1400 7 1.2-1.5 300 12吋
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
第一章 集成电路设计概述
1.3
无生产线集成电路设计技术
Fabless IC Design Technique
IDM与Fabless集成电路实现
• 集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都 是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化 制造 (IDM，Integrated Device Manufacture)的集 成电路实现模式。 • 近十年以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立 运行，这为发展无生产线（Fabless）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。
(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。