超大规模集成电路设计.ppt
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1、Chap 1 绪论绪论 课程内容 Part 1 超大规模集成电路设计导论超大规模集成电路设计导论 CMOS工艺工艺、器件、器件/连线连线 逻辑门单元逻辑门单元电路、电路、组合组合/时序时序逻辑逻辑电路电路 功能块功能块/子系统(控制逻辑、数据通道、存储器、总线)子系统(控制逻辑、数据通道、存储器、总线) Part 2 超大规模集成电路设计方法超大规模集成电路设计方法 设计流程设计流程 系统设计与验证系统设计与验证 RTL设计与仿真设计与仿真 逻辑综合与时序分析逻辑综合与时序分析 可测试性设计可测试性设计 版图设计与验证版图设计与验证 SoC设计概述设计概述 课程参考书 (仅适用于(仅适用于Pa
2、rt 1Part 1) 中文版 现代VLSI设计系统芯片设计(原书第三版) 美韦恩沃尔夫 著 科学出版社 英文版 Modern VLSI Design: System-on-Chip Design, 3th by Wayne Wolf 该书的前半部分该书的前半部分 (Chap1Chap1- -6 6) 绪绪 论论 1. IC:从设计、制造、封装、测试到芯片产品:从设计、制造、封装、测试到芯片产品 2. IC设计:设计流程及其EDA工具 集成电路(集成电路(IC)的发明)的发明 1952年5月,英国科学家G. W. A. Dummer提出了集成电路的设想。 1958年TI公司Clair Kilb
3、y的研究小组发明了第一块集成电路,12个元件,锗半导体 获获2000年年Nobel物理奖物理奖 第一块微处理器芯片第一块微处理器芯片 Intel公司, 1971年 4004中央处理 器(CPU) 集成电路的发展:摩尔定律集成电路的发展:摩尔定律 由Gordon Moore提出(Gordon Moore是Intel的创立者之一) Moores Law:每个芯片上的晶体管数目,以指数形式增加,每18个月翻一番 摩尔定律:微处理器的发展摩尔定律:微处理器的发展 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro Pentium III Itanium Pen
4、tium IV 当前:超大规模集成电路当前:超大规模集成电路(VLSI)时代时代 为什么采用为什么采用VLSI:人们对电子系统的需要:人们对电子系统的需要 功能要求越来越复杂:电路规模 性能要求越来越优良:速度、功耗 成本相对来讲最好低一点:尺寸 由于集成电路在电子系统中的核心作用,集成电路在系统功能、由于集成电路在电子系统中的核心作用,集成电路在系统功能、 性能和成本中所起的作用是关键性的性能和成本中所起的作用是关键性的 集成电路的三个关键特性(功能要求定下来的前提下)集成电路的三个关键特性(功能要求定下来的前提下) 尺寸 速度 功耗 集成电路:从集成电路:从 Spec. 到芯片产品到芯片产
5、品 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 芯片产品芯片产品 整机厂商整机厂商 Fabless (Dsign House) 无生产线设计企业无生产线设计企业 Foundry(Fab) 代工厂(生产线)代工厂(生产线) 封装厂封装厂 测试测试厂厂 IDM 集成的器件制造商集成的器件制造商 体现出了体现出了集成电路产业链:集成电路产业链: 设计业、制造业、封测业设计业、制造业、封测业 集成电路:从集成电路:从 Spec. 到芯片产品到芯片产品 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 晶圆测试晶圆测试 (中测)(中测) 成品测试成品测试 (成测)(成测) 设计结果设
6、计结果 掩模版(光罩掩模版(光罩 版、版、Mask) 晶圆(管芯)晶圆(管芯) 芯片芯片 设计结果:芯片版图(设计结果:芯片版图(Layout) An Example Chip Layout of Intel Pentium Pro - 5.5 million FETs 掩模版(光罩版、掩模版(光罩版、Mask) 版图版图 Layout 晶圆制造晶圆制造 掩模版掩模版 封装 晶圆制造晶圆制造 从空白晶圆(从空白晶圆(Wafer)到图案化的晶圆)到图案化的晶圆 版图版图 管芯管芯 LayoutDie 制造制造(1) 芯片制造的大致步骤芯片制造的大致步骤 掩模版(光罩版、掩模版(光罩版、Mask)
7、制作)制作 对每层版图都要制作一层掩模版,实际是光刻工序的次数 除金属层外,一般CMOS电路至少需要20层以上掩模版 晶圆制造(光刻)晶圆制造(光刻)(Wafer Manufacturing) 制造工艺的种类制造工艺的种类 Bipolar MOS(NMOS、PMOS) CMOS(当前主流工艺)(当前主流工艺) BiCMOS 其它特殊工艺 制造制造(2) 制造工艺的发展趋势制造工艺的发展趋势 特征尺寸越来越小:1, 0.8, 0.6, 0.5, 0.35, 0.25, 0.18, 0.15,0.13 微米; 90, 65, 40, 28,20纳米 晶圆直径越来越大:4, 5, 6, 8, 12
8、英寸 率先用于数字IC,特别是DRAM和Flash等存储器电路 结果:规模越来越大,性能越来越高,单片制造成本相对越来越 低 世界知名的制造厂(世界知名的制造厂(Foundry) 代工厂 TSMC、UMC、Charter、SMIC IDM Intel、Samsung、TI、ST 18 封装测试封装测试 掩模版掩模版 封装 封装封装(1) 先进行晶圆切割先进行晶圆切割 (Sawing Wafer) 封装封装(2) 封装(封装( Packaging )可以满足芯片的以下几个需要)可以满足芯片的以下几个需要 给予芯片机械支撑机械支撑 协助芯片向周围环境散热散热 保护芯片免受化学腐蚀 封装引脚可以提供
9、芯片在整机中的有效焊接有效焊接 Die Package 封装方式封装方式 DIP双列直插式 PLCC塑料有引线芯片 载体 QFP塑料方型扁平式 PGA插针网格阵列 BGA球栅阵列 MCM、SIP的多芯片封 装方式 我国知名的封装厂我国知名的封装厂 长电 南通富士通 封装封装(3) DIP PLCC QFP LQFP TQFP PGA BGA 测试测试(1) 中测(晶圆测试、中测(晶圆测试、 Wafer Testing、CP测试):晶圆制造完成后测试):晶圆制造完成后 的测试的测试 测试在制造过程中形成的故障 不能测试在封装过程中形成的故障(因为此时还没有封装),所以中 测以后必须进行成测 可以
10、在封装前测试出故障芯片,避免这部分故障芯片的封装费用,适 用于封装费用比较昂贵的芯片。所以,封装费用低廉的芯片可以不经 过中测 自动测试仪ATE(Teaster) 自动探针台ProbeStation 测试测试(2) 成测(成品测试、成测(成品测试、Final Testing 、FT):芯片封装完成后的测):芯片封装完成后的测 试,需对每个芯片进行测试试,需对每个芯片进行测试 测试在制造、封装过程中形成的故障 是必须经过的过程,但对经过中测的芯片可以相对简单 自动测试仪ATE 芯片自动分拣机(或称机械手)Handler 测试测试(3) 世界知名的测试仪器和设备世界知名的测试仪器和设备 Advan
11、test(爱德万) Teradyne(泰瑞达) Credence(科利登) Verigy(原Agilent 安捷伦半导体测试部门) 绪绪 论论 1. IC:从设计、制造、封装、测试到芯片产品 2. IC设计:设计流程及其设计:设计流程及其EDA工具工具 1)数字)数字IC设计流程设计流程 2)模拟)模拟IC设计流程设计流程 3)设计对制造和封测的影响)设计对制造和封测的影响 IC的大致分类的大致分类 (1) ICIC FPGA/CPLDFPGA/CPLD 数字数字ASICASIC(掩膜)(掩膜) 基于门阵列基于门阵列 基于标准单元基于标准单元 基于全定制基于全定制 数字数字ICIC 混合混合
12、ASICASIC SOC 混合信号IC 射频/模拟IC IC的大致分类的大致分类 (2) 集成电路 数字IC:处理数字信号,可以做成很大的规模 ASIC(需制作掩模) Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路 FPGA/CPLD(可以编程,不需制作掩模) Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列 Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 模拟/射频IC:处理模拟信号,规模远不如数字IC 放大器( RF放大器、中放、运放、功放);比较器;振荡 器;混频器;模拟PL
13、L;稳压稳流源等 数模混合信号IC: ADC、DAC;某些Driver;电源管理;等等 SOC:System on Chip(系统集成电路,片上系统) IC的大致分类的大致分类 (3) 数字IC中,数字ASIC与FPGA/CPLD 的区别 ASIC:需制作掩模 设计时间长,硬件不能升级 芯片面积小,性能可以得到较好的优化 适合芯片需求量大需求量大的场合:片量用于平摊昂贵的光罩掩模制版 费,降低单片生产成本 FPGA/CPLD:可以编程,不需要后端设计/制作掩模 开发门槛较低,设计时间较短,可方便和快速地升级优化硬件 芯片面积大,性能不够优化 适合芯片需求量小需求量小的场合:不用支付昂贵的光罩掩
14、模制版费 作为数字ASIC设计流程中的必要步骤:ASIC设计中前端设计 的FPGA原型验证(HDL功能验证) IC设计与设计与EDA技术技术/EDA工具工具 (1) EDA(Electronic Design Automatic,电子设计自动化) 是指以计 算机为工作平台的电子电子CAD工具软件工具软件集 EDA工具使得设计者的工作仅限于利用软件的方式仅限于利用软件的方式,就能完成对 系统硬件功能和性能的实现 集成电路设计从一开始就依赖于EDA技术及工具,离开EDA技术 集成电路设计将寸步难行。而且随着技术的进步,集成电路的设 计越来越依赖EDA工具 工艺越来越先进,线宽越来越小 功能越来越复
15、杂,规模越来越大 性能要求越来越高,速度越来越快,对功耗的要求越来越高 产品上市的时间(time to marketing)越来越短,对设计时间的要求 越来越短 集成电路设计反过来也促进了EDA技术及工具的发展 IC设计与设计与EDA技术技术/EDA工具工具 (2) EDA工具的作用对象工具的作用对象 EDAEDA技术技术 ICIC设计设计 FPGA/CPLDFPGA/CPLD 设计设计 数字数字ASICASIC设计设计 基于门阵列基于门阵列 基于标准单元基于标准单元 基于全定制基于全定制 数字数字ICIC 混合混合 ASICASIC 设计设计 PCB SOC 混合信号IC 模拟/射频IC I
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