超大规模集成电路CAD-第一章-VLSI设计的概述教材课件.ppt(59页)
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- 超大规模集成电路 CAD 第一章 VLSI 设计 概述 教材 课件
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1、 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-261p1.1 1.1 晶体管与集成电路的发展晶体管与集成电路的发展p1.2 1.2 摩尔定律摩尔定律(Mores law)(Mores law)p1.3 EDA1.3 EDA技术的发展技术的发展p1.4 IC1.4 IC产业的分工产业的分工p1.5 VLSI1.5 VLSI设计方法学设计方法学p1.6 1.6 深亚微米技术的挑战深亚微米技术的挑战 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-262
2、p1.1.1 1.1.1 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展p1.1.2 1.1.2 集成电路基本概念集成电路基本概念p1.1.3 1.1.3 集成电路发展的特点集成电路发展的特点 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-263p 19471948年:贝尔实验室公布了世界上第一只晶体三极管(点接触)“20世纪最伟大发明”,标志电子管向晶体管过渡,从此电路进入晶体管时代。1947年贝尔(Bell)实验室的肖克莱、沃尔特布拉登和约翰巴尔用几条金属箔片、一块半导体材料和一个纸架构成的一个模型:具有传导传
3、导、放大和开关电流放大和开关电流的作用。称之为“点接晶体管放大器”。(1956年美国贝尔实验室三人获诺贝尔奖)图1 1 “点接晶体管放大器”第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-264p 1948年,威廉肖克莱(William Shockley)“晶体管之父”,提出结型晶体管的想法;p 1951年,威廉肖克莱领导的研究小组成功研制出第一个可靠的单晶锗NPN结型晶体管;(温度特性差、提纯度差、表面防护能力差(稳定性差)u1952年,英国皇家雷达研究所的达默第一次提出“集成电路”的设想;n 1958年美国德克萨斯仪器
4、公司基尔比为首的小组研制出世界上第一块集成电路了双极性晶体管(由12个器件组成的相移振荡和触发器集成电路),并于1959年公布这就是世界上最早的集成电路,是现代集成电路的雏形或先驱;(基尔比于2000年获得诺贝尔物理学奖)n 1960年成功制造出MOS管集成电路;n 1965年戈登摩尔发表预测未来集成电路发展趋势的文章,就是“摩尔定律”的前身;n 1968年Intel公司诞生。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-265p 集成电路的发展除了物理原理外还得益于许多新工艺的发明:50年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注
5、入工艺;56年美国人富勒发明的扩散工艺;60年卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺;60年kang和Atalla研制出第一个硅MOS管;70年斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺,使晶体管从点接触结构向平面结构过渡并给集成电路工艺提供了基本的技术支持。因此,从70年代开始,第一代集成电路才开始发展并迅速成熟。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-266集成电路规模的发展:集成电路规模的发展:p SSI:1958年制造出包含12个晶体管的小规模集成电路p MSI:1966年发展到集成度为1001000个晶体管的中规模集成
6、电路p LSI:1967-1973年,研制出1000个至10万个晶体管的大规模集成电路p VLSI:1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路,这是电子技术的第四次重大突破,从此真正迈入了微电子时代;p ULSI(Ultra Large-Scale Integration),1993年随着集成了1000万个晶体管的16M FLASH和256M DRAM的研制成功,进入了特大规模集成电路时代;p GSI(Giga Scale Integration)1994年由于集成1亿个元件的1G DRAM的研制成功,进入巨大规模集成电路时代。第1章 VLSI概述路漫漫其修远
7、兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-267p 形状:一般为正方形或矩形。p 面积:几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增大、封装困难、成品率下降,成本提高,可通过增大硅园片直径来弥补。p 集成度,规模:包含的晶体管数目或等效逻辑门的数量。(1个2输入的NAND=4个晶体管)p 特征尺寸:p 集成电路器件中最细线条的宽度,对MOS器件常指栅极所决定的沟导几何长度,是一条工艺线中能加工的最小尺寸。p 反映了集成电路版图图形的精细程度,特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进(光刻最小特征尺寸与曝光所用波长)。p 硅园片直径:考虑到集成电路的流
8、片成品率和生产成本,每个硅园片上的管芯数保持在300个左右。(inch)第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-268p 封装(Package):p把IC管芯放入管壳(金属、陶瓷和塑料)内密封,使管芯能长期可靠工作散热:保证在允许的温度下正常工作恶劣环境:化学介质、辐射、振动注:1.封装与互连不会增强信号,而只会减弱信号强度2.封装不会改进芯片的性能,只会限制系统性能p从扦孔形(THP)向表面按装形式(SMP)发展,到现在的MCM(multi chip Module)多芯片封装普及中。THP以电性能和热性能优良、可
9、靠性等特点而得到广泛应用SMP优点是节省空间、改进性能和降低成本,而且它还可以直接将管芯按装在印制版电路板的两面,使电路板的费用降低60%。目前最多端口已超过1千个MCM可以说是面向部件的或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷电路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面安装技术、半导体集成电路技术于一体,是典型的垂直集成技术.第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-269p DIP封装 70年代流行双列直插封装,绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100个。p SMP封装 80年代出
10、现了芯片载体封装,其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(LeadlessCeramicChipCarrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)、小尺寸封装SOP(SmallOutlinePackage)、塑料四边引出扁平封装PQFP(PlasticQuadFlatPackage)。p PGA封装(Pin Grid Array Package)在芯片的内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列安装时,将芯片插入专门的PGA插座。p BGA封装(BallGridArrayPackage)球栅阵列封装。90年代随着集成技术的进步、设
11、备的改进和深亚微米技术的使用,LSI、VLSI、ULSI相继出现,硅单芯片集成度不断提高,对集成电路封装要求更加严格,I/O引脚数急剧增加,功耗也随之增大。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2610DIP:双列直插封装(60年代)FP(Flat Package):扁平封装PLCC:塑料有引线芯片载体封装LCC:有引线芯片载体封装BGA:球栅阵列封装(90年代初)QFP:四边引出扁平封装(80年代)CPGA(Ceramic Pin Grid Array):陶瓷基板PGA 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫
12、其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2611制造工艺制造工艺p 双极型双极型BipolarBipolar工艺工艺:最早采用的工艺,多数使用TTLTTL (Transistor-Transistor LogicTransistor-Transistor Logic)或ECLECL(Emitter-Emitter-Coupled LogicCoupled Logic),耐压高、速度快,通常用于功率电子、汽车、电话电路与模拟电路;p CMOSCMOS工艺工艺:Complememtary MOSComplememtary MOS,铝栅晶体管被多晶硅栅所代体,
13、更易于实现n n沟MOSMOS和p p沟MOSMOS两种类型的晶体管,即同一集成电路硅片上实现互补MOSMOS工艺。生产工艺更简单,器件面积更小。它的晶体管密度大,功耗小。比双极型集成电路要偏宜,半导体产业的投资和集成电路市场的发展倾向于MOSMOS电路;p BiCMOSBiCMOS工艺工艺:双极型BipolarBipolar和CMOSCMOS两种工艺的结合。管芯中大部分采用CMOSCMOS,外围接口采用双极型BipolarBipolar,做到功耗低、密度大,电路输出驱动电流大。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-
14、9-2612p特征尺寸特征尺寸越来越小(2000K)p时钟速度时钟速度越来越高(500MHz)p电源电压单位功耗电源电压单位功耗越来越低(9层)pI/0I/0引脚引脚越来越多(1200)p功耗功耗越来越大 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2613表表1-1 1-1 集成电路特征参数的进展情况集成电路特征参数的进展情况 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2614图1-2 各阶段集成电路产品 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮
15、路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2615 1960年,美国Intel公司Gordon Moore预言集成电路的发展遵循指数规律(ITIT行业神话行业神话),人们称之为”摩尔定律”,其主要内容如下:(原内容:每(原内容:每1818个月,相同面积大小的芯片内,晶体管个月,相同面积大小的芯片内,晶体管数量会增加一倍)数量会增加一倍)(1)集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度 下降,集成度每一年翻一番;(2)价格每两年下降一半;(3)这种规律在30年内是正确的(从1965年开始)。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远
16、兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2616主要特征主要特征 SSI SSIMSIMSI(19661966)LSILSI(1971)VLSIVLSI(19801980)ULSIULSI(1990)GSLGSL元件数元件数/片片10 10 109 9特征线宽特征线宽mm5 510103 35 51 13 3 11201201001004040151510101515结深结深 mm1.220.51.20.20.50.10.2硅片直径硅片直径InchInch(mm)mm)2 22 23 3(50507575)4 45 5(100125)6 6(150)(150)8 81212
17、表表1-2 1-2 集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2617图1 3 集成电路集成度和特征尺寸的发展曲线 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2618图1 4 CPU的发展情况集成度:2x growth in 1.96 YearDie size:14%one YearMemory:4x growth every 3 YearsCLK:2x ever
18、y 2 year 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2619p Intel第一块CPU 4004,4位主理器,主频108kHz,运算速度0.06MIPs(Million Instructions Per Second,每秒百万条指令),集成晶体管2,300个,10微米制造工艺,最大寻址内存640 bytes,生产日期1971年11月.图1 5 Intel 4004处理器 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2620图1 6 I
19、ntel Pentium Pro处理器p 64位主理器,主频133/150/166/180/200MHZ,总线频率66MHZ,运算速度达到300440MIPs,集成晶体管5.5M个,1微米制造工艺,387针Socket8接口,最大寻址内存64GB,缓存16/256kB1MB,生产日期1995年11月.第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2621p Pentium 4(Willamette核心,423针),主频1.3G1.7G,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺,Socket423接口,二级缓存256K,生
20、产日期2000年11月.p Pentium 4(478针),至今分为三种核心:Willamette核心(主频1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺),Northwood核心(主频1.6G3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工艺,二级缓存512K,Prescott核心(主频2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工艺,1M二级缓存,13条全新指令集SSE3),生产日期2001年7月.图1 7 Intel Pentium4处理器 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2622p CPU
21、发展趋势p 多核心p 更小的布线宽度和更多的晶体管 p 更高的总线速度,更大的二级缓存cache(制造成本很高)图1 8 Intel Core Yonah 65nm核心处理器 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2623图1 9 AMD四核Barcelona 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2624p Barcelona是AMD第一款四核处理器 基于65nm工艺技术。和Intel Kentsfield四核不同的是,Barce
22、lona并不是将两个双核封装在一起,而是真正的单芯片四核心。p 其需要11层金属层,而K8只需要9层。在同工艺情况下Barcelona相比Intel处理器需要更多的金属层,这意味着量产的复杂程度也更高。p 拥有四个核心和2MB三级缓存,Barcelona的晶体管数量达到4.63亿个,相比Intel四核Kentsfield的5.82亿还是要少1.19亿。这1.19亿晶体管主要来自于缓存方面:每一个Barcelona核心拥有128KB L1缓存和512KB L2缓存,四个核心共享2MB L3缓存,那么芯片上总缓存容量为4.5MB。而Intel Kentsfield中每一个核心配备了64KB L1缓
23、存,两个核心共享4MB L2缓存,总缓存容量为8.25MB,比Barcelona高出80%,体现在晶体管数量上有25.6%的增加。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2625p1.3.1 EDA1.3.1 EDA的含义的含义p1.3.2 EDA1.3.2 EDA技术发展的三个阶段技术发展的三个阶段p1.3.3 EDA1.3.3 EDA技术的特点及发展方向技术的特点及发展方向p1.3.4 1.3.4 常用常用 EDAEDA工具工具 第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将
24、上下而求索吾将上下而求索2023-9-2626ElectronicDesignAutomation:电子设计自化电子设计自化。它的发展是以计算机科学、微电子技术的发展为基础的,并融合了应用电子技术、智能技术以及计算机图形学、拓扑学、计算数学等众多学科的最新成果发展起来的。简单的说,EDA就是立足于计算机工作平台计算机工作平台而开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件软件。熟练地掌握EDA技术,可以大大提高工作效率。第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2627行为行为综合功能逻辑综合90年代高层次设计自动化逻辑布
25、局布线80年代计算机辅助工程版图图形生成掩模70年代计算机辅助设计图1 10 EDA技术的发展阶段CADCAEEDACADCAEEDASOC(基于平台和IP复用技术)第1章 VLSI概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索吾将上下而求索2023-9-2628CADCAD(Computer Aided DesignComputer Aided Design)阶段)阶段CADCAD阶段:阶段:是EDA技术发展的早期阶段。原因:计算机的功能比较有限(16位),还没有普 及;电子设计软件功能比较弱。用途:对设计的电路的性能进行一些模拟和预测;完成PCB板的布局布线及
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