数字电路设计幻灯片-第1讲--简介

1、数字集成电路设计,第一讲 简介,教师,姓名：韩茹 联系电话：88431556 EMail：,教材,数字集成电路电路、系统与设计第二版，Jan M. Rabaey, Anantha Chandraksan, Borivoje Nikolic 著；周润德等译；电子工业出版社,基于ppt的听课方法,不正确 只听不记，过目即忘 狂记，还是来不及 自我总结，只言片语 正确 预读教材或参考书 边听边注 课后复习，整理成文 个人笔记，终身受用,IC的概念,集成电路 IC：Integrated Circuit,什么是IC？,IC的概念,按集成度分,IC的概念,IC按制造工艺分类,IC的概念,IC按实现方法分类,晶体管的发明,第一只晶体管 Bell实验室 1948年,第一台自动计算机,1832年 Babbage的Difference Engine I 25,000个机械部件 总成本：17,470英镑,第一台电子计算机 ENIAC,1946年 近30吨 每秒5000次运算,第一块集成电路,Bipolar logic 1960s,ECL 3-input Gate Motorola 1966,Intel的40

2、04微处理器,1971 1000 transistors 1 MHz operation,Intel的Pentiun IV 微处理器,Moore定律,1965年, Gordon Moore 指出：每18至24个月，单芯片上集成的晶体管数目翻一番. 他预言半导体加工工艺的效率每18个月 翻一番,Moore 定律,Electronics, April 19, 1965.,存储器复杂度的演变,晶体管数目的趋势,1,000,000,100,000,10,000,1,000,10,100,1,1975,1980,1985,1990,1995,2000,2005,2010,8086,80286,i386,i486,Pentium,Pentium Pro,K,1 Billion Transistors,Source: Intel,Projected,Pentium II,Pentium III,微处理器中的Moore定律,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000,1970,198

3、0,1990,2000,2010,Year,Transistors (MT),2X growth in 1.96 years!,Transistors on Lead Microprocessors double every 2 years,芯片大小的变化,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,1,10,100,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Die size (mm),7% growth per year,2X growth in 10 years,Die size grows by 14% to satisfy Moores Law,Courtesy, Intel,工作频率,P6,Pentium proc,486,386,286,8086,8085,8080,8008,4004,0.1,1,10,100,1000,10000,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Frequency (Mhz),Lead Microprocessors frequency doubl

4、es every 2 years,Doubles every 2 years,Courtesy, Intel,功耗,P6,Pentium proc,486,386,286,8086,8085,8080,8008,4004,0.1,1,10,100,1971,1974,1978,1985,1992,2000,Year,Power (Watts),Lead Microprocessors power continues to increase,Courtesy, Intel,功耗将成为一个主要问题,5KW,18KW,1.5KW,500W,4004,8008,8080,8085,8086,286,386,486,Pentium proc,0.1,1,10,100,1000,10000,100000,1971,1974,1978,1985,1992,2000,2004,2008,Year,Power (Watts),Power delivery and dissipation will be prohibitive,Courtesy, Intel,功率密度,4004,8008,8080,808

5、5,8086,286,386,486,Pentium proc,P6,1,10,100,1000,10000,1970,1980,1990,2000,2010,Year,Power Density (W/cm2),Power density too high to keep junctions at low temp,数字集成电路不只用于微处理器,Digital Cellular Market (Phones Shipped),(data from Texas Instruments),Cell Phone,今天的IC 晶体管数目,2003年一年内制造出的 晶体管数目达到1018 个，相当于地球上所有 蚂蚁数量的100倍！,今天的IC 芯片制造水平,2003年制造芯片的尺寸控制精度已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！,今天的IC 晶体管的工作速度,1个晶体管每秒钟的开关速度已超过1.5万亿次。如果你要用手开关电灯达到这样多的次数，需要2万5千年的时间！,今天的IC 半导体业的发展速度,1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞

6、7个小时。如果航空业的发展速度和半导体业一样的话，那么今天只需花费1个便士，不到1秒钟即可到达！,今天的IC 晶体管的成本,目前制造1个晶体管的成本大约与在1张报纸上印制1个字母的成本相当！,现代IC设计特点 IC设计要求,设计正确性：IC投片费用高，难以修改，应确保一次成功 设计时间：决定了设计费用和市场竞争力。 设计成本：芯片面积，小批量开发费用，大批量成品率 产品性能: 速度、功耗、面积 可测性和可靠性,Why Scaling?,新一代工艺尺寸缩小为上一代的0.7 新一代工艺下，单片可集成的功能为上一代的两倍；且芯片成本没有显著增加。 每种功能的成本降1倍。 但是 如何设计功能越来越强大的芯片? 设计工程师的数量也不可能每年增加1倍 因此，需要一种更高效的设计方法 开发不同的抽象层次,设计抽象层次,n+,n+,S,G,D,+,DEVICE,CIRCUIT,GATE,MODULE,SYSTEM,TopDown设计流程,现代IC设计特点 IC设计要素,人：需同时具备系统与微电子知识 工具：微机工作站，CAD软件EDA软件 库：工艺库，IP库,现代IC设计特点 对人才的要求,雄厚的理论

7、基础：物理，电路，数学 娴熟的实践能力：设计语言（HDL、C、Matlab），EDA软件，FPGA/DSP验证 宽广的系统知识：计算机，通信，信号处理 迅捷的自学能力：Moore定律，集成度每三年上升四倍，40年有效,本课程 的内容,集中在门级和晶体管级 结构和工艺之间的连接,1.必须有人来设计和实现模块库（标准单元库） 2.建立一个单元或模块的合适模型要求对它的内部操作有深刻的理解。 3.以库为基础的设计方法在有些情况下不太适用。 4.以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确的。（互连影响） 5.工艺尺寸的缩小会使以抽象为基础的模型的其它一些缺陷更为明显。（时钟线和电源线） 6.工艺水平提高的另一个影响是新的设计问题和约束条件会不断的出现（例如：功耗，器件和互连寄生参数之间的比例变化等）,时钟对系统设计的挑战,电源分布网络对系统设计的挑战,设计的测度指标,如何评价数字电路性能的指标 (门, 模块, )? 成本（Cost） 可靠性 可扩展性 速度 (延迟, 运行频率) 功耗（Power dissipation） 执行某种功能所消耗的能量（Energy to perform a function）,集成电路的成本,固定成本（NRE (non-recurrent engineering) costs） 设计费用, 掩模板费用 生产设备、市场和销售费用 基础设施建设费用 可变成本 硅加工、封装和测试费用 与产量成比例 与芯片面积成比例,Die Cost,Single die,Wafer,From http:/,Going up to 12” (30cm),每晶体管的成本,0.0000001,0.000001,0.00001,0.0001,0.001,0.01,0.1,1,1982,1985,1988,1991,1994,1997,2000,2003,2006,2009,2012,cost: -per-transistor,Fabrication capital cost per transistor (Moores law),Yield,Defects,a is approximately 3,可靠性 数字集成电路中的噪声,i,(,t,),Inductive coupling,Cap

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