1、数字集成电路设计第一讲 简介教师n姓名：韩茹n联系电话：88431556nEMail：教材n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n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n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 n按集成度分IC的概念nIC按制造工艺分类 IC的概念nIC按实现方法分类晶体管的发明 第一只晶体管
2、Bell实验室 1948年第一台自动计算机1832年Babbage的Difference Engine I25,000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 logic1960sECL 3-input GateMotorola 1966Intel的4004微处理器19711000 transistors1 MHz operationIntel的Pentiun IV 微处理器Moore定律l1965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. n他预言半导体加
3、工工艺的效率每18个月 翻一番Moore 定律16151413121110987654321019591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975LOG2 OF THE NUMBER OFCOMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTIONElectronics, April 19, 1965.存储器复杂度的演变晶体管数目的趋势1,000,000100,00010,0001,000101001197519801985 19901995 20002005 2010808680286i386i486
4、PentiumPentium ProKPentium IIPentium III微处理器中的Moore定律40048008808080858086286386486Pentium procP60.0010.010.1110100100019701980199020002010YearTransistors (MT)2X growth in 1.96 years!Transistors on Lead Microprocessors double every 2 years芯片大小的变化40048008808080858086286386486Pentium procP6110100197019
5、80199020002010YearDie size (mm)7% growth per year2X growth in 10 yearsDie size grows by 14% to satisfy Moores LawCourtesy, Intel工作频率P6Pentium proc486386286808680858080800840040.111010010001000019701980199020002010YearFrequency (Mhz)Lead Microprocessors frequency doubles every 2 yearsDoubles every2 y
6、earsCourtesy, Intel功耗P6Pentium proc486386286808680858080800840040.1110100197119741978198519922000YearPower (Watts)Lead Microprocessors power continues to increaseCourtesy, Intel功耗将成为一个主要问题5KW 18KW 1.5KW 500W 40048008808080858086286386486Pentium proc0.1110100100010000100000197119741978 198519922000 2
7、0042008YearPower (Watts)Power delivery and dissipation will be prohibitiveCourtesy, Intel功率密度40048008808080858086286386486Pentium procP611010010001000019701980199020002010YearPower Density (W/cm2)Hot PlateNuclearReactorRocketNozzlePower density too high to keep junctions at low temp数字集成电路不只用于微处理器Dig
8、ital Cellular Market(Phones Shipped)1996 1997 1998 1999 2000Units 48M 86M 162M 260M 435MAnalog BasebandDigital Baseband(DSP + MCU)PowerManagementSmall Signal RFPowerRFCellPhone 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n2003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
9、1英寸！ 今天的IC 晶体管的工作速度n1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n1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞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n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n设计正确性：设计正确性：IC投片费用高，难以修改，应确保一投片费用高，难以修改，应确保一次成功次成功n设计时间：决定了设计费用和市场竞争力。设计时间
10、：决定了设计费用和市场竞争力。n设计成本：芯片面积设计成本：芯片面积，小批量，小批量开发费用开发费用，大批，大批量量成品率成品率n产品性能产品性能: 速度、功耗、面积速度、功耗、面积n可测性和可靠性可测性和可靠性Why Scaling?n新一代工艺尺寸缩小为上一代的0.7n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。n每种功能的成本降1倍。n但是 n如何设计功能越来越强大的芯片?n设计工程师的数量也不可能每年增加1倍n因此，需要一种更高效的设计方法n开发不同的抽象层次设计抽象层次n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEMTopDown设
11、计流程 现代IC设计特点 IC设计要素n人：人：需同时具备系统与微电子知识n工具：工具：微机工作站，CAD软件EDA软件n库：库：工艺库，IP库 现代IC设计特点 对人才的要求n雄厚的理论基础：雄厚的理论基础：物理，电路，数学n娴熟的实践能力：娴熟的实践能力：设计语言（HDL、C、Matlab），EDA软件，FPGA/DSP验证n宽广的系统知识：宽广的系统知识：计算机，通信，信号处理n迅捷的自学能力：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）必须有人来设计和实现模块库（标准单
12、元库） 2.建立一个单元或模块的合适模型要求对它的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。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以库为基础的设计方法在有些情况下不太适用。用。 4.以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确的。（互连影响）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）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
13、现（例如：功耗，器件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）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n如何评价数字电路性能的指标 (门, 模块, )?n成本（Cost）n可靠性n可扩展性n速度 (延迟, 运行频率) n功耗（Power dissipation）n执行某种功能所消耗的能量（Energy to perform a function）集成电路的成本n 固定成本（NRE (non-recurrent engineering) costs）n设计费用, 掩模板费用n生产设备、市场和销售费用n基础设施建设
14、费用n 可变成本n硅加工、封装和测试费用n与产量成比例n与芯片面积成比例Die CostSingle dieWaferFrom http:/Going up to 12” (30cm)每晶体管的成本Fabrication capital cost per transistor (Moores law)Yield%100per wafer chips ofnumber Totalper wafer chips good of No.Yyield Dieper wafer DiescostWafer cost Diearea die2diameterwafer area diediameter/2
15、wafer per wafer Dies2Defectsarea dieareaunit per defects1yield die is approximately 3 4area) (die cost dief可靠性数字集成电路中的噪声i(t) Inductive coupling Capacitive couplingPower and ground noisev(t)VDDDC 传输特性传输特性 电压传输特性V(in)V(out)VOHVOLVM VOHVOLfV(out)=V(in)Switching ThresholdNominal Voltage LevelsVOH = f(VO
16、L)VOL = f(VOH)VM = f(VM)电压与逻辑电平之间的关系VILVIHVinSlope = -1Slope = -1VOLVOHVout“ 0”VOLVILVIHVOHUndefinedRegion“ 1”噪声容限的定义Noise margin highNoise margin lowVIH VILUndefinedRegion10VOH VOLNMHNMLGate OutputGate Input抗噪声能力（I）n噪声容限对于确定一个电路抑制噪声的能力是不够的；n抗噪声能力描述了一个电路在噪声存在的情况下正确处理和传递信息的能力；n许多数字电路，它们的噪声容限很小，确有很好的抗
17、噪声能力，因为它们抑制噪声源而不是压制它；n抗噪声能力取决于噪声的传播函数抗噪声能力（II）n噪声源的两种类型：n与信号摆幅Vsw成正比。对信号节点的影响使用g Vsw来表示；n固定噪声。对信号节点的影响等于fVNf，VNf是噪声源的幅值，f是从噪声到节点的传递函数抗噪声能力（III）n假设噪声容限等于信号摆幅的一半，为了能正确工作，噪声容限必须大于耦合噪声值的和（系统工作所需要的最小信号摆幅）Regenerative Property再生性v0v1v3finv(v)f(v)v3outv2inRegenerativeNon-Regenerativev2v1f(v)finv(v)v3outv0i
18、n一个门的VTC应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区，该过渡区以两个合法区域为界，合法区域的增益应当小于1Regenerative Property A chain of invertersv0v1v2v3v4v5v62V (Volt)4v0v1v2t (nsec)02 11356810 Simulated responseFan-in and Fan-outNFan-out NFan-in MM理想的数字门Ri = Ro = 0Fanout = NMH = NML = VDD/2 g = VinVoutAn Old-time InverterNMLVin (V)Vout(V)NMHVM0.0
19、1.02.03.04.05.01.02.03.04.05.0延时定义VouttftpHLtpLHtrtVint90%10%50%50%一个信号的上升/下降时间很大程度上取决于驱动门的强度以及它所承受的负载环振v0v1v5v1v2v0v3v4v5T = 2 tp NA First-Order RC NetworkvoutvinCRtp = ln (2) t = 0.69 RCImportant model matches delay of inverter 功耗瞬时功耗瞬时功耗: p(t) = v(t)i(t) = Vsupplyi(t)峰值功耗峰值功耗: (研究电源尺寸时特别有用）研究电源尺寸
20、时特别有用）Ppeak = Vsupplyipeak平均功耗平均功耗:（处理冷却或考察对电池的要求时）（处理冷却或考察对电池的要求时） TttTttsupplysupplyavedttiTVdttpTP)(1能耗和能耗延时积Power-Delay Product (PDP) = E = Energy per operation = Pav tp Energy-Delay Product (EDP) = quality metric of gate = E tp 一个门的传播延时和功耗有关：传播延时主要由一给定数量的一个门的传播延时和功耗有关：传播延时主要由一给定数量的能量存放在栅电容上的速度来
21、决定。能量传送的越快（功耗越能量存放在栅电容上的速度来决定。能量传送的越快（功耗越大）则门越快。对于给定的工艺和门的拓扑结构，功耗和延时大）则门越快。对于给定的工艺和门的拓扑结构，功耗和延时的乘积一般为一常数。（的乘积一般为一常数。（PDP）A First-Order RC NetworkVddVoutisupplyCLE0-1 = CLVdd2PMOSNETWORKNMOSA1ANNETWORKE01P t dt0TVddisupplyt dt0TVddCLdVout0VddCLVdd2=EcapPcapt dt0TVouticapt dt0TCLVoutdVout0Vdd12- -CLVd
22、d2=voutvinCLR由信号源传送的总能量电容上存储的能量另外一半能量呢？另外一半能量呢？本课程的内容本课程的内容n器件：主要讲晶体管的工作原理，特性方程以及电容、电阻等器件：主要讲晶体管的工作原理，特性方程以及电容、电阻等n导线：导线的互连参数和导线模型导线：导线的互连参数和导线模型nCMOS反相器：静态特性、动态特性、功耗等反相器：静态特性、动态特性、功耗等n组合逻辑门设计：静态组合逻辑门设计：静态CMOS设计和动态设计和动态CMOS设计设计n时序逻辑电路设计：静态时序逻辑电路设计：静态/动态动态 寄存器和锁存器设计寄存器和锁存器设计n数字集成电路的实现策略数字集成电路的实现策略n互连问题：电容互连问题：电容/电阻电阻/电感寄生效应电感寄生效应n时序问题：同步设计时序问题：同步设计n运算功能块设计：加法器、乘法器和移位器运算功能块设计：加法器、乘法器和移位器n存储器和存储阵列设计（可选）存储器和存储阵列设计（可选）n数字集成电路测试以及可测性设计（可选）数字集成电路测试以及可测性设计（可选）n低功耗设计（可选）低功耗设计（可选）
