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1、Email:超大规模集成电路与系统导论超大规模集成电路与系统导论Lecture 1 VLSI概论与课程简介概论与课程简介超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview2Todays Topics课程简介课程简介课程的目标和要求课程的目标和要求授课内容的安排授课内容的安排作业作业/报告与考核报告与考核VLSI概论概论CMOS晶体管结构简介晶体管结构简介静态静态CMOS Logic简介简介设计分类，设计流程与设计方法学（设计分类，设计流程与设计方法学（Methodology）超大规模集成电路与系统设计的发展趋势超大规模集成电路与系统设计的发展趋势Complem
2、entary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体 超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview3课程的目标和要求课程的目标和要求通过课程学习，学生应当具备以下能力通过课程学习，学生应当具备以下能力VLSI 电路的分析与电路设计电路的分析与电路设计:理解理解 CMOS transistor（CMOS晶体管）的工作晶体管）的工作原理原理能够完成简单逻辑的电路设计能够完成简单逻辑的电路设计理解电阻与理解电阻与parasitics（电容）的简化模型（电容）的简化模型&进行简单的电阻与电容的计算进行简单
3、的电阻与电容的计算以反相器为例，理解简单的以反相器为例，理解简单的 static&dynamic CMOS logic建立建立CMOS门延时与线延时的概念门延时与线延时的概念建立建立CMOS静态与动态功耗分析的概念静态与动态功耗分析的概念&进行简单进行简单逻辑单元的功耗分析逻辑单元的功耗分析正确理解数字电路中基本的时序单元正确理解数字电路中基本的时序单元latches&flip/flops 锁存器锁存器&寄存器）的作用和工作原理。寄存器）的作用和工作原理。超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview4课程的目标和要求课程的目标和要求通过课程学习，学生应当
4、具备以下能力通过课程学习，学生应当具备以下能力CMOS 工艺与版图工艺与版图掌握基本的掌握基本的VLSI manufacturing process（制造（制造工艺流程）工艺流程）了解工艺的发展趋势了解工艺的发展趋势理解版图设计规则（理解版图设计规则（layout design rules）完成简单逻辑单元版图的分析与设计完成简单逻辑单元版图的分析与设计了解版图的不同设计风格了解版图的不同设计风格超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview6课时安排课时安排第一章第一章 VLSI概述概述 （2学时学时）第一部分第一部分 硅片逻辑硅片逻辑（15学时）学时）
5、第二章 MOSFET逻辑设计 第三章 CMOS集成电路的物理结构 第四章 CMOS集成电路的制造 第五章 物理设计的基本要素第二部分第二部分 从逻辑到电子电路（从逻辑到电子电路（10学时）学时）第六章 MOSFET的电气特性 第七章 CMOS逻辑门电子学分析第三部分第三部分 VLSI系统设计系统设计（10学时）学时）综合与静态时序分析 数字电路前端设计流程与方法学 数字电路后端设计流程与方法学 第十四章 系统级物理设计（互连线的延时与串扰）第十五章 VLSI时钟与系统设计（同步数字电路时钟的产生与分配）第十六章 可测性设计超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Ov
6、erview7评分与考核评分与考核GradingExam60%Attendances20%Homework20%Q&A ScheduleOffice HoursMonday to Friday,by appointment超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview8教材与参考书教材与参考书教材教材超大规模集成电路与系统导论超大规模集成电路与系统导论参考书参考书数字集成电路设计透视数字集成电路设计透视J.Rabaey,A.Chandrakasan,and B.Nikolic,Digital Integrated Circuits:A Design Per
7、spective,2nd.ed.,Prentice-Hall,2002.集成电路版图基础集成电路版图基础:实用指南实用指南，（美）塞因特著，（美）塞因特著，李伟华，李伟华，孙伟锋译，孙伟锋译，清华大学出版社清华大学出版社数字集成电路：电路系统与设计数字集成电路：电路系统与设计，(美美)Rabaey，J.M等著，周润德等译等著，周润德等译,电子工业出版社电子工业出版社超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview10VLSI 工艺概述工艺概述Common technologies:CMOS*(占主要地位占主要地位)双极型双极型Bipolar(e.g.,TTL
8、)Bi-CMOS-hybrid Bipolar,CMOS(for high speed)GaAs（砷化镓）（砷化镓）-Gallium Arsenide(for high speed)*Complementary Metal Oxide Semiconductor超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview11VLSI Technology-CMOS Transistors特征尺寸晶体管的沟道长度 L2002:L=130nm2003:L=90nm2005:L=65nm2007:L=45nm2010:L=32nm/28nm超大规模集成电路与系统导论2010L
9、ecture 1-Course Overview13VLSI 工艺工艺 晶片（晶圆晶片（晶圆 wafer）与裸片）与裸片DIE超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview15VLSI 工艺工艺-晶圆尺寸的发展晶圆尺寸的发展超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview16芯片工程与多项目晶圆计划（知识扩展）超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview18晶体管的开关模型（将在第二章详述）晶体管的开关模型（将在第二章详述）nfet or n transistoron when g
10、ate Hgood switch for logic Lpoor switch for logic Hpull-down devicepfet or p transistoron when gate Lgood switch for logic Hpoor switch for logic Lpull-up device超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview19CMOS 逻辑设计的简单示例逻辑设计的简单示例Complementary transistor networksPullup:p transistorsPulldown-n transist
11、ors超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview20CMOS 反相器示例反相器示例超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview21CMOS简单逻辑门示例简单逻辑门示例-Whats This?当输入当输入A或或B为为低电平时低电平时P管导通管导通当输入当输入A和和B都为都为高电平时高电平时N管导通管导通超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview22VLSI 的抽象化设计层级的划分的抽象化设计层级的划分（Levels of Abstraction）Specification(
12、what the chip does,inputs/outputs)Architecturemajor resources,connectionsRegister-Transferlogic blocks,FSMs,connectionsCircuittransistors,parasitics,connectionsLayoutmask layers,polygonsLogicgates,flip-flops,latches,connections超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview24VLSI 设计流程（设计流程（Design Process
13、）（客户需求，系统定义（客户需求，系统定义-）系统设计）系统设计-前端设计与验证前端设计与验证 -后端设计与验证后端设计与验证-TapeOut-流片制造流片制造-封装与芯片封装与芯片 测试测试-客户客户采用自顶而下或自下而上的设计，并在同一个层次上进采用自顶而下或自下而上的设计，并在同一个层次上进行功能模块的合理划分。行功能模块的合理划分。运用运用EDA工具实现设计自动化工具实现设计自动化采纳不同设计风格的折衷考虑（采纳不同设计风格的折衷考虑（Different design styles trade off）:设计研发所需的时间设计研发所需的时间芯片的成本（芯片的尺寸：工艺芯片的成本（芯片的
14、尺寸：工艺/逻辑单元的个数）逻辑单元的个数）功能是否满足要求（功能是否满足要求（Performance）功耗（功耗（Power Consumption）可测性设计（可测性设计（DFT）可制造性设计（可制造性设计（DFM）超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview25VLSI Design StylesFull CustomSemi CustomASIC-Application-Specific Integrated CircuitPLD,FPGA-Programmable LogicSoC-System-on-a-Chip超大规模集成电路与系统导论20
15、10Lecture 1-Course Overview26全定制芯片（全定制芯片（Full Custom Design）Each circuit element carefully“handcrafted”TradeoffsHigh Design Costs(huge effort!)High CostHigh PerformanceExamplesAnalog and Mixed-Signal“Old”Microprocessor（Motorola/FSL S08 8bit processor）超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview28可编程逻辑
16、芯片（可编程逻辑芯片（FPGA，PLD）TradeoffsLow Design CostLow performanceHigh unit costExamplesNetwork routers(e.g.,Cisco)Gibson“digital”electric guitar超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview29SOC芯片（芯片（System-on-a-chip）Idea:combine several blocksIntellectual property(IP)cores(e.g.ARM processor)ASIC logic for s
17、pecial-purpose hardwareProgrammable Logic(PLD,FPGA)AnalogTradeoffsMedium design costMedium performanceMedium unit costExamplesConsumer electronics(e.g.,iPod)Sigmatel STMP3520 MP3 DecoderImage source:Semiconductor Insights,Inc.超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview31我们会从事我们会从事“哪种芯片哪种芯片”的设计的设计Few
18、engineers will design custom chipsSome engineers will design ASICs&SOCsSome engineers will design FPGA systems超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview32超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview33VLSI的起点的起点1947年12月16日,美国贝尔实验室(Bell-Lab),William Shockley领导的研究小组发现了晶体管效应。1948年6月向全世界公布。1956年，W.Shockley
19、,John Bardeen,Walter Brattain 获诺贝尔物理奖,for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview34VLSI 发展趋势发展趋势:Moore定律定律In 1965,Gordon Moore predicted that transistors would continue to shrink,allowing:Doubled transistor density eve
20、ry 18-24 monthsDoubled performance every 18-24 months实践几乎验证了实践几乎验证了Moore定律定律But,is the end is in sight?器件物理的限制器件物理的限制经济的限制经济的限制Gordon MooreIntel Co-Founder and Chairmain EmeritusImage source:Intel Corporation Your job isto postpone“forever”!超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview35工艺与逻辑集成度的小结工艺与逻
21、辑集成度的小结Processor（处理器芯片）（处理器芯片）逻辑集成密度逻辑集成密度increases 30%per year时钟频率时钟频率 increases 20%per year平均每个逻辑功能的成本平均每个逻辑功能的成本 decreases 20%per year MemoryDRAM 容量容量:increases 60%per year(每三年增长为每三年增长为4倍倍)速度速度:increases 10%per year平均每个平均每个 bit-cell的成本的成本:decreases 25%per yearNot any more!超大规模集成电路与系统导论2010Lecture
22、 1-Course Overview36芯片示例芯片示例 “早期的早期的”ProcessorsMos Technology 6502Intel 4004First P-2300 xtorsL=10m超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview37芯片示例芯片示例 处理器芯片的发展处理器芯片的发展Pentium 442M transistors/1.3-1.8GHz49-55WL=180nmPentium 4“Northwood”55M transistors/2-2.5GHz 55WL=0.130nm Area=131mm2Process Shrinks
23、Pentium 4“Prescott”125M transistors/2.8-3.4GHz115WL=90nm Area=112mm2超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview38芯片示例芯片示例 “今天的今天的”ProcessorsIntel Core 2 Duo“Conroe”291M transistors/2.67GHz/65WL=65nm Area=143mm2Image courtesy Intel Corporations All Rights Reserved超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Over
24、view39芯片示例芯片示例 “今天的今天的”ProcessorsImage courtesy International Business Machines All Rights ReservedIBM Cell Processor234M transistors/2GHz/?WL=90nm Area=221mm2超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview40芯片示例：芯片示例：FPGAXilinx Virtex FPGA超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview41芯片示例芯片示例-Graphics Pro
25、cessornVidia GeForce457M transistors/300MHz/?WL=0.15m超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview42基于基于EDA工具的芯片设计工具的芯片设计“小芯片小芯片”的设计实例的设计实例超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview43芯片示例芯片示例流片完成后的流片完成后的“小芯片小芯片”键合(连接到封装的引脚)超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview44Die Photo-2001 Design Project超大规模集成电
26、路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview45我们会从事哪类和集成电路有关的工作？我们会从事哪类和集成电路有关的工作？设计设计（系统；前端；后端）（系统；前端；后端）/测试测试/制造制造/封装封装/应用应用/市场市场IDM与与Fabless集成电路实现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
27、识经济提供了条件。超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview46Fabless and Foundry:Definition无生产线与代工无生产线与代工:定义定义 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
28、any IC design entity of itself.超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview47Relation of F&F(无生产线与代工的关系无生产线与代工的关系)Tape-Out超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview48下一节课的内容：下一节课的内容：第二章第二章 MOSFET逻辑设计逻辑设计 2.1理想开关与布尔运算理想开关与布尔运算 2.2 MOSFET开关开关超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview49本节课作业：本节课作业：Proces
29、sor芯片；芯片；MCU芯片；芯片；DSP芯片的各自特点与区芯片的各自特点与区别。查阅资料为以上三种类型的设计各举出一个芯片实别。查阅资料为以上三种类型的设计各举出一个芯片实例。例。什么是数字电路？什么是模拟电路？举出三个模拟电路什么是数字电路？什么是模拟电路？举出三个模拟电路功能模块的例子。功能模块的例子。全定制；半定制；全定制；半定制；ASIC；FPGA的各自特点。的各自特点。超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview50附录（一）长度单位的换算附录（一）长度单位的换算1米米 10分米分米 （dm）1米米 100厘米厘米（cm）1米米 1000毫米
30、（毫米（mm）1米米 10e6微米微米（um，micron）1米米 10e9纳米纳米（nm）1米米 10e10埃埃 （A）1米米 10e12皮米皮米（pm）1米米 10e15飞米飞米（fm）超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview51附录（二）附录（二）境外可用Foundry工艺厂家超大规模集成电路与系统导论2010Lecture 1-Course Overview52附录（二）附录（二）国内主要的Foundry工艺厂家上海上海:“中芯中芯”，8”,0.25m,2001.10“宏力宏力”，8”,0.25m,2002.10“华虹华虹-II”，8”,0.25m,台积电台积电(TSMC),已宣布在松江已宣布在松江建厂建厂北京北京:首钢首钢NEC,8”,0.25m,天津天津:Motolora,8”,0.25m苏州苏州:联华联华(UMC),已宣布在苏已宣布在苏州建厂州建厂