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第一章: 数字系统与超大规模集成电路 为什么设计超大规模集成电路(VLSI) 集成电路(IC)制造 VLSI设计技术 1.1 为什么设计 VLSI? 历史 特点 摩尔定律 应用 第一台计算机：埃尼雅克(ENIAC)+ 第一台通用计算机: ENIAC 名字: 电子数字集成计算器(Electronic Numerical Integrator and Calculator) 时间: 1946年2月14日 宾夕法尼亚州立大学莫尔学院 18,000个真空电子管 ENIAC+ 这样的计算机可以用于办公室、车间、政府部门、家庭吗？当时某些科学估计全世界只需要4台ENIAC 。 现在，全球的个人电脑已超过6亿台。它的工作能力相当于4000亿人年。 晶体管的发明+ 1947年12月23日，贝尔实验室的半导体研究小组W. Schokley, J. Bardeen, W. Brattain发明了锗 NPN晶体管。 晶体管的发明+ W. Schokley, J. Bardeen, W. Brattain 集成电路(IC)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 Kilby的研究小组发明了第一块集成电路，12个元件，锗半导体。 第一块微处理器+ Intel公司, 1971年 4004中央处理器(CPU) 为什么设计VLSI？ 集成电路的三个关键的特性 尺寸——是速度与功耗的基础 速度 功耗 集成改进了系统 物理尺寸更小 低功耗 低成本 人们总是需要更复杂的系统 摩尔定律 Gordon Moore: Intel的创立者。 预言：每个芯片晶体管的数目以指数形式增加，每18个月翻一番。 指数形式的技术改进是自然的趋势：如，蒸气机、发电机、汽车。 微处理器的性能+ 摩尔定律 集成电路：信息社会发展的基石+ 自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。 实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是集成电路。 集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。 VLSI与大众 微处理器 个人电脑 微控制器 存储器 专用处理器DSP等 1.2 集成电路制造 集成电路制造 制造成本 示例 设计与制造流程+ 集成电路设计滞后于制造+ 系统芯片（SoC, System on Chip) 制造过程+ 制造工厂的费用 目前费用：20～30亿美元 典型的生产线占地约1个城区，数百人。 芯片的盈利主要在前18个月，或头二年。 集成电路中的成本因素 对于产量较大的集成电路『制造因素占了主要地位』 封装是最大的费用 测试是第二的费用 对于产量较小的集成电路，设计的费用可能超过了制造的费用 封装后的集成电路 空白圆片与图案化的圆片+ 圆片与它的测试结构 64M SDRAM管芯局部(华虹-NEC)+ 管芯面积5.89×9.7=57mm2, 456块/圆片，1.34亿个晶体管/管芯。 晶体管的照片+ 0.15um沟道长度的晶体管 90nm栅长 1.3 VLSI设计技术 CMOS技术 VLSI设计流程 层次设计 设计抽象 双极型、nMOS、CMOS门电路 速度：双极型 nMOS CMOS电路 功耗：双极型 nMOS CMOS电路 集成度：双极型 nMOS CMOS电路 BiCMOS（双极互补型金属氧化物半导体）具有双极型与CMOS电路共有的长处，但设计与制造复杂。 VLSI中的低功耗 CMOS门电路需要的功耗比其它门电路小 尺寸是低功耗的本质因素 信号传输距离减小 寄生效应减小 低功耗设计 低速低功耗 避免不必要的工作 VLSI设计流程 可能是较大产品设计的一个部分，如：SoC设计。 具有多级的抽象 规格书 架构 逻辑 电路 版图 VLSI设计流程+ VLSI设计流程＝设计创意＋仿真验证 目标X的设计(Design for “X”) ： 可测试性设计 可制造性设计 RTL寄存器传输级的前端设计与GDSII版图的后端设计 VLSI设计的挑战『复杂度』 多层次的抽象：从晶体管到CPU。 多种冲突的约束：低成本与高性能。 设计时间短：延迟的产品通常不合时宜。 应对设计复杂度 分治(Divide and Conquer)：限制在一段时间内你所处理的部件。 将一些部件合成更大的部件： 晶体管构成门电路 门电路构成功能单元 功能单元构成处理设备 层次设计与设计抽象 层次设计：从顶层到底层的设计。『如：标准的VLSI设计流程』 设计抽象：从底层到顶层的归纳。抽象是