第1章 概 论

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1、第一章概论1.1集成电路的发展历程1.2专用集成电路设计要求1.3集成电路的分类1.4集成电路设计方法1.1集成电路的发展历程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和发展经历了以下过程：·1947～1948年公布。·1950年，成功研制出结型晶体管。·1952年，英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路”的设想。·1958年，美国德克萨斯仪器公司制造出世界上第一块集成电路——双极型晶体管集成电路，1959年正式公布。·1960年，成功制造了第一块MOS集成电路。1.1.2集成电路发展的特点1.特点集成电路的发展特点主要表现在：·特征

2、尺寸越来越小；·芯片尺寸越来越大；·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；·布线层数越来越多；·输入/输出(I/O)引脚越来越多。图1-1给出各个阶段集成电路产品的照片。图1-1各阶段集成电路产品的照片2.摩尔定律1960年，美国Intel公司G.Moore预言集成电路的发展遵循指数规律，人们称之为“摩尔定律”，其主要内容如下：(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)。历史的发展证实了摩尔定律的正确性。表1-

3、1给出集成电路特征参数的进展情况。表1-1集成电路特征参数的进展情况1982年出现的80286芯片中，共有13.4万只晶体管，线宽为1.5μm。而到1995年，PentiumPro(TM)芯片就含有550万只晶体管，线宽为亚微米级0.6μm。目前商业化的芯片的线宽为0.18～0.35μm。图1-2(a)和(b)分别给出80286和PentiumPro(TM)的芯片显微照片。图1-2CPU80286及PentiumPro(TM)芯片的显微照片(a)80286;(b)PentiumPro(TM)目前，集成电路将朝着两个方面发展：·一是在发展微细加工技

4、术的基础上，开发超高速度、超高集成度的集成电路芯片。·二是利用先进的工艺技术、设计技术、封装技术和测试技术发展各种专用集成电路(ASIC)，特别是开发更为复杂的片上系统(SOC)，不断缩短产品上市时限，产品更新换代的时间越来越短。1.2专用集成电路设计要求对专用集成电路设计的重要要求有：·设计周期短；·设计正确率高；·硅片面积小、特征尺寸小；·低功耗、低电压；·速度快；·可测性好；·价格低。1.2.1关于“速度”用芯片的最大延迟表示芯片的工作速度，如(1-1)式所示，延迟时间Tpd为(1-1)式中：Tpdo——晶体管本征延迟时间；UL——最大逻辑摆

5、幅，即最大电源电压；Cg——扇出栅电容(负载电容)；Cw——内连线电容；Ip——晶体管峰值电流。1.2.2关于“功耗”1.有比电路与无比电路芯片的功耗与电压、电流大小有关，与器件类型、电路型式也关系密切。就MOS集成电路而言，有NMOS电路、PMOS电路和CMOS电路之分。举一个简单的例子，如图1-3所示，图(a)为NMOS反相器，图(b)为CMOS反相器。对NMOS反相器而言，若输入为“1”，驱动管V1导通，负载管V2也导通，输出电平是两个管子分压的结果，其分压比取决于驱动管和负载管的宽长比。这种电路称之为“有比电路”。有比电路有静态电流流过。图

6、1-3有比电路与无比电路(a)有比电路；(b)无比电路CMOS反相器是一个NMOS和PMOS互补的电路，当输入为“1”时，NMOS管导通，PMOS管截止，输出电压为“0”。而当输入为“0”时，NMOS管截止，PMOS管导通，输出电压为“1”，即等于UDD。这种截止管等效电阻趋于无穷大，导通管等效电阻趋于零，一管导通必有另一管截止，输出电平不分压(UOH=UDD)的电路称为“无比电路”。有比电路和无比电路的功耗有很大的不同。显然，无比电路的功耗比有比电路小。2.功耗1)静态功耗静态功耗指电路停留在一种状态时的功耗。有比电路的静态功耗为PdQ=ＩP

7、×UDD(1-2)无比电路的静态功耗为PdQ=0(1-3)2)动态功耗动态功耗指电路在两种状态(“0”和“1”)转换时对电路电容充放电所消耗的功率。无比电路的动态功耗为Pd=f(Cg+Cw+Co)U2L(1-4)式中：Co——晶体管的自电容(输出电容)；f——信号频率；UL——电压摆幅(UL=UDD)。3.速度功耗积引入“速度功耗积”来表示速度与功耗的关系，用信号周期表示速度，则速度功耗积为(1-5)当电源电压一定，电路电容一定时，若要速度高，则功耗必然大。反之，功耗小则速度必然低，二者的乘积为常数。这一点很好理解，如果要使速度快

8、，电容充放电时间短，则必然要加大给电容充放电的电流，故必然导致功耗变大。1.2.3关于“价格”集成芯片的成本计算公式为设计