數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)?1Introduction什么是集成電路引線接觸點(diǎn)芯片互連封裝鈍化層芯片貼合引腳集成電路是通過半導(dǎo)體工藝將電子元件集成在芯片上的微型電路技術(shù)芯片是集成電路的物理載體和具體實(shí)現(xiàn)形式芯片是信息時(shí)代的隱形心臟通信技術(shù)工業(yè)自動(dòng)化物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療電子人工智能消費(fèi)電子汽車工業(yè)片芯Reviewofhistory數(shù)字IC設(shè)計(jì)與之前相比有何不同?未來會(huì)如何發(fā)展變化?(1832)25,000parts￡17,470小數(shù)點(diǎn)

十進(jìn)制+-×÷兩個(gè)循環(huán)存儲(chǔ)執(zhí)行流水線操作復(fù)雜性

成本!TheFirstComputer劍橋大學(xué)與著名詩人拜倫的獨(dú)生女阿達(dá)合作ENIAC-Thefirstelectroniccomputer18,000電子管70000電阻10000電容6000繼電器大小：長(zhǎng)24m寬6m高2.5m速度：5000/sec重量：30噸功率：140kW平均無故障運(yùn)行時(shí)間：7min被美國(guó)國(guó)防部用來進(jìn)行彈道計(jì)算ENIAC電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月15日世界上的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生在賓西法尼亞大學(xué)（UniversityofPennsylvania）電子管計(jì)算機(jī)由于使用的電子管體積很大耗電量大易發(fā)熱因而工作的時(shí)間不能太長(zhǎng)晶體管的革命世界上第一個(gè)晶體管由威廉·肖克利約翰·巴丁和沃特·布拉頓于1947年12月16日在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明三人因此共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)??

世界上第一塊集成電路杰克·基爾比是集成電路的發(fā)明者也是集成電路廣泛應(yīng)用的推行者和見證者1958年他成功研制出世界上第一塊集成電路2000年他被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)比爾·克林頓您應(yīng)當(dāng)為這一成就感到自豪它為您贏得了聲望并且您的勞動(dòng)將使世世代代的人們提高生活品質(zhì)他在筆記本上潦草地寫下了一個(gè)頭腦風(fēng)暴如果公司用一塊半導(dǎo)體材料制造整個(gè)電路會(huì)怎么樣ECL(Emitter-CoupledLogic)射極耦合邏輯3-inputGateMotorola1966早期集成電路年份技術(shù)突破核心貢獻(xiàn)者/公司意義1949結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管理論肖克利貝爾實(shí)驗(yàn)室奠定FET器件理論基礎(chǔ)1956首個(gè)RTL邏輯門RCA數(shù)字電路實(shí)用化起點(diǎn)1958鍺基集成電路基爾比德州儀器集成電路時(shí)代開端1962TTL技術(shù)/Micrologic系列布依（TRW）/仙童半導(dǎo)體推動(dòng)數(shù)字IC商業(yè)化與高性能化除了物理原理很多新工藝的發(fā)明也為集成電路的發(fā)展提供了條件

50年代美國(guó)人奧爾和肖克萊發(fā)明離子注入工藝56年美國(guó)人福勒發(fā)明擴(kuò)散工藝60年盧克和克里斯坦森發(fā)明外延生長(zhǎng)工藝70年斯皮勒和卡斯特蘭尼發(fā)明光刻工藝使集成電路從點(diǎn)接觸向平面工藝過渡早期集成電路新工藝的發(fā)明p-substraten+n+G（gate）S（source）D（drain）當(dāng)價(jià)格不變時(shí)單個(gè)芯片上可容納的元器件的數(shù)目約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍性能也將提升一倍摩爾定律（Moore’slaw）在科技領(lǐng)域幾乎無人不曉毫不夸張地說摩爾定義了一個(gè)時(shí)代摩爾定律1979年

16Bit2.9萬晶體管

5到8MHz1.5μm1985年

32Bit27.5萬晶體管

16到32MHz1μm8088Intel3861971年第一個(gè)微處理器2000多個(gè)晶體管10μmPMOS工藝1982年286微處理器13.4萬個(gè)晶體管頻率6MHz

8MHz

10MHz和12.5MHz4004技術(shù)演進(jìn)1989年25到50MHz

1-0.8μm

32Bit120萬晶體管Intel486Pentium1993年3月

32Bit310萬晶體管

60到166MHz

0.8μm技術(shù)演進(jìn)P6(奔騰Pro)1996年150to200MHz時(shí)鐘頻率196平方毫米550萬晶體管(外部緩存)0.35微米4層金屬3.3伏VDD>20瓦典型功率耗散功率387引腳技術(shù)演進(jìn)1999年2月英特爾推出PentiumIII處理器整合950萬個(gè)晶體管0.25μm工藝2002年1月推出的Pentium4處理器其整合5500萬個(gè)晶體管采用0.13μm工藝2002年8月13日英特爾開始90nm制程的突破業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅2005年順利過渡到了65nm工藝為多核處理器奠定基礎(chǔ)技術(shù)演進(jìn)2007年英特爾推出45nm正式量產(chǎn)工藝45nm技術(shù)是全新的技術(shù)可以讓摩爾定律至少再服役10年技術(shù)演進(jìn)45/40納米節(jié)點(diǎn)（2008年量產(chǎn)）?首次應(yīng)用?高K介質(zhì)+金屬柵極?22/20納米節(jié)點(diǎn)（2012年商用）??FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）?取代平面結(jié)構(gòu)7/5納米節(jié)點(diǎn)（2018-2020年）?首次大規(guī)模采用極紫外光刻機(jī)2納米節(jié)點(diǎn)（2025年量產(chǎn)）?GAAFET（全環(huán)繞柵極）?支持AI超算需求技術(shù)演進(jìn)PlanarFETFinFETGAAFETMBCFET歷史上的集成電路路線圖更多摩爾：微型化超越摩爾：多樣化超越CMOS與人和環(huán)境互動(dòng)系統(tǒng)級(jí)封裝信息處理數(shù)字系統(tǒng)級(jí)芯片非數(shù)字高價(jià)值系統(tǒng)結(jié)合SoC和SiP模擬/射頻無源元件高壓電源傳感器生物芯片復(fù)雜性的演進(jìn)百科全書2小時(shí)CD音頻30秒HDTV人類記憶人類DNA書頁1,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium?Pentium?ProK10億晶體管預(yù)測(cè)Pentium?IIPentium?III來源Intel晶體管數(shù)芯片尺寸的增長(zhǎng)40048008808080858086286386486Pentium?procP611010019701980199020002010YearDiesize(mm)每年增長(zhǎng)~7%十年增長(zhǎng)約~2X芯片尺寸增長(zhǎng)14%以滿足摩爾定律來源IntelP6Pentium?proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency(Mhz)領(lǐng)先處理器的頻率兩年翻一倍兩年翻一倍頻率來源IntelP6Pentium?proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower(Watts)領(lǐng)先處理器的功耗增加功耗來源Intel工藝尺寸減小→芯片功能增加兩倍→芯片成本無顯著增加→單個(gè)功能的成本降低一半但是……如何設(shè)計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)更多的功能?工程師的人數(shù)不會(huì)每年增加一倍……→更有效的方法對(duì)不同層級(jí)抽象化為何縮放？n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM器件電路門模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抽象層次單元庫整數(shù)和浮點(diǎn)單元的很大一部分采用了一種特定的以單元為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)單元方法來設(shè)計(jì)IntelPentium(IV)microprocessor芯片的起點(diǎn)——沙子???沙子里藏著硅

硅是做芯片的原料放大300倍水晶微觀結(jié)構(gòu)天然水晶???第二步

提純?nèi)サ綦s質(zhì)得到高純硅單晶棒?沙子第三步制作晶圓??第四步

光刻——圖案化沙子成為芯片1000步芯片的應(yīng)用之一——機(jī)器人機(jī)器人可以避免人類接觸核輻射

毒氣

爆炸物等致命威脅機(jī)器人在安全性方面的用處太空深水火災(zāi)核輻射美國(guó)準(zhǔn)備用機(jī)器人組建軍隊(duì)了美國(guó)要生產(chǎn)機(jī)器人士兵替代人類軍隊(duì)它們不用吃飯

不怕死

動(dòng)作還敏捷

而且?guī)缀跄軣o窮無盡的生產(chǎn)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的機(jī)器人無人機(jī)為人服務(wù)的機(jī)器人海豹機(jī)器人小海豹陪伴孤獨(dú)的人機(jī)器人的效率與精度?工業(yè)焊接誤差控制在毫米級(jí)

手術(shù)操作精度達(dá)微米級(jí)????工廠里?機(jī)器人可以搬很重的東西?醫(yī)院里?有機(jī)器人醫(yī)生能做超級(jí)精細(xì)的手術(shù)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈演變

IP核及設(shè)計(jì)服務(wù)Materials材料ICDeign設(shè)計(jì)ICFab芯片制造Packaging封測(cè)上游環(huán)節(jié)中游環(huán)節(jié)下游環(huán)節(jié)Equipment設(shè)備FrontEnd前段設(shè)備BackEnd后段設(shè)備IntegratedCircuits集成電路Sensors傳感器Optoelectronics光電子集成電路產(chǎn)業(yè)鏈

IC測(cè)試設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)用戶需求應(yīng)用市場(chǎng)早期的IC產(chǎn)業(yè)以全能型企業(yè)為主稱為IDM

集整機(jī)產(chǎn)品和IC設(shè)計(jì)制造封裝和測(cè)試等生產(chǎn)全過程于一身最早開始投資IC產(chǎn)業(yè)的IDM多為美國(guó)電子企業(yè)德州儀器仙童Motorola

IBM等這些公司投資IC產(chǎn)業(yè)主要為自身整機(jī)產(chǎn)品服務(wù)

提升產(chǎn)品質(zhì)量降低成本爭(zhēng)奪市場(chǎng)411.早期的集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)2.材料設(shè)備業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品形態(tài)明晰的設(shè)備業(yè)材料業(yè)最先從這些全能企業(yè)中分離出來整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)分為集成電路業(yè)半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)和半導(dǎo)體材料業(yè)三個(gè)子產(chǎn)業(yè)材料設(shè)備業(yè)開發(fā)技術(shù)難度大

屬基礎(chǔ)科學(xué)開發(fā)費(fèi)用高因此進(jìn)入門檻高半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)被AMAT（應(yīng)材）和ASML（艾司摩爾）光刻機(jī)等歐美企業(yè)壟斷硅納米電子學(xué)材料早期所需材料種類相比于目前很少二十世紀(jì)70年代封裝測(cè)試業(yè)逐漸從整個(gè)產(chǎn)業(yè)中分離出來封裝測(cè)試技術(shù)已物化到了設(shè)備技術(shù)和原材料技術(shù)之中剩下的生產(chǎn)工序轉(zhuǎn)化為勞動(dòng)力密集型工作發(fā)達(dá)國(guó)家將封裝測(cè)試轉(zhuǎn)移到本土以外的其他地區(qū)443.封裝、測(cè)試業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)八十年代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)CAE發(fā)展IC設(shè)計(jì)技術(shù)開始部分物化到設(shè)計(jì)工具中隨著EDA工具的發(fā)展庫的概念工藝模型參數(shù)及其仿真概念的引入IC設(shè)計(jì)開始進(jìn)入抽象化階段使設(shè)計(jì)過程可以獨(dú)立于生產(chǎn)工藝而存在隨著PC機(jī)的廣泛應(yīng)用IC產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入以客戶為導(dǎo)向的階段IC產(chǎn)業(yè)從標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代進(jìn)入到用戶定制產(chǎn)品的時(shí)代專門從事IC設(shè)計(jì)的公司開始大量出現(xiàn)4.設(shè)計(jì)業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)制造工藝水平的不斷提高對(duì)生產(chǎn)線的投入越來越大多數(shù)IDM無力承擔(dān)如此之高的費(fèi)用于是只專注于芯片制造的代工企業(yè)出現(xiàn)了1987年全球第一家集成電路制造專業(yè)代工服務(wù)公司——臺(tái)積電（TSMC）成立無生產(chǎn)線的IC設(shè)計(jì)公司與IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成為IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要模式5.加工業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)IDM公司從綜合型IDM公司中剝離出來專門從事半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)制造封裝和測(cè)試不從事整機(jī)業(yè)務(wù)專業(yè)型IDM公司具有更高的運(yùn)作效率6.加工業(yè)分離后的集成電路產(chǎn)業(yè)集成電路設(shè)計(jì)優(yōu)化Speed速度Powerdissipation能耗Cost成本reliability可靠性性能Performance功耗Power面積Area簡(jiǎn)稱PPA三大核心優(yōu)化目標(biāo)1.性能（Performance）性能是衡量芯片計(jì)算能力的核心指標(biāo)主要包括時(shí)鐘頻率和延遲頻率提升會(huì)顯著增加功耗和發(fā)熱量需結(jié)合散熱能力與系統(tǒng)需求綜合設(shè)計(jì)延遲指信號(hào)從輸入端傳輸?shù)捷敵龆怂璧臅r(shí)間延遲過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算卡頓尤其在實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景（如自駕的決策芯片）中可能引發(fā)嚴(yán)重后果VOUTVINVMVIHVILVOHVOLVOUTVIN=dVOUT=-1dVINdVOUT=-1dVIN邏輯狀態(tài)LOW0HIGH1不定態(tài)X反相器電壓傳輸特性一切數(shù)字邏輯的源頭皆可追溯至晶體管的開關(guān)行為反相器作為最基本的邏輯單元其電壓傳輸特性VoltageTransferCharacteristicVTC決定了噪聲容限而瞬態(tài)響應(yīng)直接影響系統(tǒng)時(shí)鐘頻率VDDPMOSInOutNMOS內(nèi)部噪聲：與信號(hào)幅度成比例→主要來源外部噪聲：與信號(hào)和電源無關(guān)工藝導(dǎo)致的尺寸、參數(shù)差異=》影響電路電特性芯片內(nèi)外噪聲源噪聲：在邏輯節(jié)點(diǎn)上不希望發(fā)生的電壓和電流的變化。i(t)

Inductivecoupling電感耦合

Capacitivecoupling電容耦合PowerandgroundNoise電源線和地線噪聲v(t)VDD可靠性——噪聲邏輯變量X由不連續(xù)的電荷量表示節(jié)點(diǎn)電壓可能是一個(gè)連續(xù)范圍的值額定電平-邏輯狀態(tài)：邏輯擺幅信號(hào)表示方法：布爾邏輯0VOLVILVIHVOH不確定區(qū)1過渡區(qū)域可接受的低電壓可接受的高電壓噪聲模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的映射VOUTVINVMVIHVILVOHVOLVOUTVIN=dVOUT=-1dVINdVOUT=-1dVIN邏輯狀態(tài)LOW0HIGH1不定態(tài)X高電平噪聲容限低電平噪聲容限VIH

VIL不確定區(qū)10VOH

VOLNMHNML門輸出串聯(lián)的反相器門0，1區(qū)間大→使一個(gè)門的穩(wěn)定型較好且對(duì)噪聲干擾不敏感噪聲容限門輸入過渡區(qū)增益>1保證一個(gè)受干擾的信號(hào)在通過若干邏輯級(jí)后逐漸收斂回到額定電平中的一個(gè)v0再生性再生非再生1vv2v3瞬態(tài)仿真V0:2.1~2.9VV1:0.6~4.45VV2:VOL~VOHv01vv2v3反相器鏈NFan-outNFan-inMMN↑→

邏輯輸出電平連接至驅(qū)動(dòng)門輸出端負(fù)載門N降低Rout增大Ri存在最大值M過大導(dǎo)致靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性變差扇入和扇出Ri=￥Ro=0Fanout=￥NMH=NML=VDD/2g

=

VinVoutg

=-

VM

=VSW/2判斷設(shè)計(jì)優(yōu)劣理想門NMHVin

(V)VoutNMLVM0.01.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0VOH=3.5VVOL=0.45VVIH=2.35VVIL=0.66VVM=1.64VNMH=1.15VNML=0.21VVOH-VOL=3.05V70年代的NMOS非門VTCVINVOUTVOHVOHVOLVOL

90%50%10%90%10%50%trtftPHLtPLHtt延時(shí)

61

影響設(shè)計(jì)的可行性、成本和可靠性2.功耗（Power）Instantaneouspower:瞬時(shí)功率

p(t)=v(t)i(t)=Vsupplyi(t)Peakpower:峰值功率

Ppeak=Vsupplyipeak=max[p(t)]Averagepower:平均功率電源線尺寸冷卻和電池復(fù)雜的CPU散熱裝置動(dòng)態(tài)功耗：由于對(duì)電容充電及在電源和地線間有一短暫通路造成正比于開關(guān)頻率靜態(tài)功耗：由于在電源和地線間的靜態(tài)導(dǎo)電通路或由于漏電流引起傳播延時(shí)主要是由一給定數(shù)量的能量存放在柵電容上的速度來決定能量的傳送越快（或者說功耗越大）則門越快對(duì)于給定的工藝和門的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功耗和延時(shí)的乘積一般為一常數(shù)這一乘積稱為功耗-延時(shí)積（PDP）它可以作為一個(gè)開關(guān)器件質(zhì)量的度量2.功耗和能耗一階RC網(wǎng)絡(luò)

outinCLRddvvv固定成本掩膜版制備研發(fā)設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施等一次性投入可變成本硅片處理

封裝

測(cè)試與產(chǎn)量成正比與芯片面積成正比3.集成電路的成本（與面積密切相關(guān)）晶圓12英寸

(30cm)單個(gè)芯片28nm工藝流片一次需要200萬美元14nm工藝流片一次需要500萬美元7nm工藝流片一次需要1500萬美元5nm工藝流片一次4725萬美元3nm工藝流片可能要上億美元掩膜版最貴越先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)所需要的掩膜版層數(shù)就越多28nm大概需要40層14nm工藝需要60張掩膜版7nm工藝需要80張甚至上百?gòu)堁谀ぐ嬉粚覯ask8萬美金因此芯片必須量產(chǎn)拉低成本40nmMCU工藝為例：如果生產(chǎn)10片晶圓每片晶圓成本（90萬+4000*10）/10=9.4萬美元生產(chǎn)10000片晶圓每片晶圓成本（90萬+4000*10000）/10000=4090美元臺(tái)積電今年給的較新報(bào)價(jià)：最先進(jìn)的制程3nm每片晶圓19865美元折合人民幣大概14.2w左右集成電路的成本67固定成本正在增加大約掩模成本（$K）爆炸式固定成本/掩模成本0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012每個(gè)晶體管的成本每個(gè)晶體管的制造成本(Moore’slaw)每個(gè)晶體管的成本下降？？？

成品率缺陷

a取決于制造工藝復(fù)雜性正比于掩膜板數(shù)量約為3晶圓直徑:12inch芯片大小:2.5cm2缺陷:1/cm2α=3

芯片成品率:16%40個(gè)功能完好例題：芯片成品率

ChipMetallayersLinewidthWafercostDef./cm2Areamm2Dies/waferYieldDiecost386DX20.90$9001.04336071%$4486DX230.80$12001.08118154%$12PowerPC60140.80$17001.312111528%$53HPPA710030.80$13001.01966627%$73DECAlpha30.70$15001.22345319%$149SuperSparc30.70$17001.62564813%$272Pentium30.80$15001.5296409%$417例子確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和指標(biāo)系統(tǒng)分析、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)輸入，RTL級(jí)模型建立系統(tǒng)功能仿真邏輯綜合和可測(cè)試設(shè)計(jì)版圖預(yù)布局布線、時(shí)鐘樹建立時(shí)序分析、功能優(yōu)化和形式驗(yàn)證ALUmoduleALU(a,b,c);inputa,b;outputc；DUTstimulusresponse參數(shù)提取、時(shí)序驗(yàn)證和形式驗(yàn)證版圖驗(yàn)證系統(tǒng)版圖數(shù)據(jù)提交前端后端版圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)層算法層寄存器傳輸層邏輯層電路層版圖層集成電路設(shè)計(jì)流程我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀1.產(chǎn)業(yè)鏈全景圖產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)2020年2614.23億塊2021年3594.35億塊2022年3241.85億塊2023年3946.78億塊2024年4514.2億塊2025年5190億塊2.集成電路行業(yè)現(xiàn)狀2024年全年集成電路產(chǎn)業(yè)銷售突破1.5萬億元3.集成電路行業(yè)需求情況3.2025-2030年中國(guó)集成電路市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)(億元)4.長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角三大核心區(qū)域聚集發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局5.競(jìng)爭(zhēng)格局：本土企業(yè)突圍與全球供應(yīng)鏈重構(gòu)（2024）維度本土企業(yè)（中國(guó)）國(guó)際巨頭產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)華為海思（營(yíng)收850億）紫光展銳（420億）全球前十高通、博通主導(dǎo)高端市場(chǎng)，但華為海思在5G基帶芯片等領(lǐng)域形成差異化競(jìng)爭(zhēng)EDA工具：華大九天、概倫電子份額8%高端仍依賴Synop