集成电路历史与发展趋势3学时

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1、系统芯片（SoC）设计1目标与要求目标复习VLSI系统导论的知识介绍SoC设计的基本方法和技术建立架构SoC芯片的基本能力要求具有计算机体系结构的背景知识对数字电路有一定了解2什么是SoC逻辑单元Analog静态RAMCPU内核PAD3课时安排周次内容1集成电路历史与发展趋势，设计指标2CMOS反相器性能的定性分析及优化设计，CMOS组合逻辑门设计3CMOS时序逻辑门设计，同步时序电路4存储单元，低功耗设计5芯片规划和设计6电子系统设计，系统总线14课时安排周次内容7系统总线18中断控制器IP和外部存储器控制器IP设计9DMA

2、C控制器IP的设计，IP介绍10嵌入式微处理器111嵌入式微处理器212芯片验证5课时安排周次内容13系统定义和计算模型14总复习6其它主讲王学香:wxx@seu.edu.cn考核方式闭卷考试参考书数字集成电路——电路、系统与设计（第二版）致谢本课件参考了多位国内外老师的相关课件，在此感谢这些做出贡献的老师们7集成电路历史与发展趋势8为什么要设计集成电路？分为两个问题为什么要使用电子系统？为什么用集成电路构建电子系统？以计算机的发展为例从机械到电子从电子管到晶体管从晶体管到集成电路9第一台计算机(1832)Babbage差分引

3、擎25000个零部件3位10进制计算花费：£1747010第一台电子计算机(1946)ENIAC17468个电子管6000个开关可做到每秒5000个数的加法运算11第一个晶体管(1947)WilliamShockley,WalterBrittain&JohnBardeen(贝尔实验室)锗材料1956NoblePrize电子管统治了20世纪的前半部分:体积大、价格昂贵、功耗大、稳定性差现在，这一切改变了！12晶体管计算机TX-0(MIT,1953)Transistor(Manchester,1955)13第一块集成电路(1958

4、)JackKilby(TI)5个器件锗材料2000NoblePrize集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互联线把它们连接起来，成为一个电子器件。14第一块商用集成电路(1961)Fairchild（仙童）1bit存储器4个晶体管和5个电阻小规模集成电路的时代开始了Fairchild被认为是硅谷人才摇篮15处理器的诞生(1971)Intel40042300个晶体管第一个单芯片计算机标志着大规模集成电路时代的开始10um工艺4位数据位宽108KHz主频16使用IC来构建电子系统电子系统的构建从电子管开始，然后让电子

5、管小型化晶体管替代电子管，然后让晶体管小型化元器件越来越便宜，但是再便宜也要成本整个系统的成本和复杂度相关集成电路的出现让电路的制造变得像印照片一样容易元器件可并行制造成本和元器件个数无直接关系17集成电路的优点集成的特性有利于减小体积提高速度降低功耗集成降低了制造成本几乎不存在组装的成本18处理器继续发展1974,Intel8080第一颗通用微处理器8位数据宽度,4500个晶体管1979,Motorola68000最强大的16位微处理器之一68000个晶体管大规模IC时代的标志性产品1981,HPFocusChip早期的32

6、位处理器450,000个晶体管超大规模集成电路(VLSI)时代来临19Pentium4(2001)0.18um工艺1.4~2GHz主频L2缓存:256KB总线速度:400MHz晶体管数:4200万功耗:44-55W典型应用:PC20IntelCore2(2006)2.9亿个晶体管3GHz主频65nmCMOS工艺面积143mm221VLSI发展带来的变化Cray-1:世界上最快的计算机(1976-1982)64Mb存储器(50nscycletime)40Kb寄存器(6nscycletime)1百万门(4/5inputNAND)8

7、0MHz主频功耗115kWIn90nm工艺(2005)64Mb=>9mm240Kb寄存器=>0.13mm21百万个NAND4gates=>4mm23.5mmx3.5mm芯片面积,和指甲大小接近CRAY-122微处理器路线图(Intel)2007年，晶体管诞生60周年之际,Intel发布45nm工艺的Penryn微处理器,拥有8.2亿个晶体管。23VLSI的发展趋势晶体管更小,更快,更低功耗,更便宜几十年前，GordonMoore已经预见了这种趋势，并成功做出了预测。24摩尔定律1965,GordonMoore预测单个芯片上的晶

8、体管数目每18~24个月会增加一倍GordonMooreIntelCo-Founder&ChairmanEmeritus25晶体管数目26工作频率272000年预测的功耗真是如此？28实际功耗29功率密度功率密度的升高，导致散热成本大大增加30散热不好有何结果？图片来自htt