1、第二讲专用集成电路概念及设计流程韩 雁2013年3月浙大微电子浙大微电子专用集成电路(IC)概念 通用集成电路:市场上能买得到的 IC 专用集成电路 (ASIC)市场上买不到、需要自己设计实现的 IC2/52浙大微电子浙大微电子半导体产业的主要产品分类半导体产业的主要产品分类分为四大类：分为四大类： 2011-2013年全球半导体产品销售比例年全球半导体产品销售比例201120122013集成电路集成电路( IC, 通用、专用通用、专用)82.581.781.4分立器件分立器件(Discrete)7.16.86.9光电器件光电器件(Optoelectronic)7.7 8.78.9%传感器传感
2、器 (Sensors)2.72.72.7集成电路、集成电路、 分立器件、分立器件、光电器件、光电器件、传感器传感器资料来源：世界半导体贸易统计组织3/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）201120122013微器件微器件25.326.125.8存储器存储器24.623.923.5逻辑电路逻辑电路31.932.733.1%模拟电路模拟电路17.117.317.64/52浙大微电子浙大微电
3、子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器微处理器（MPU） 通用型、嵌入式型通用型、嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）5/52浙大微电子浙大微电子微处理器微处理器（MPU） 通用型通用型微处理器微处理器 PC机或工作站、服务器等的机或工作站、服务器等的CPU， 具有具有 高垄断、高技术
4、、高利润、高风险高垄断、高技术、高利润、高风险 特征。特征。 嵌入式型嵌入式型微处理器微处理器 嵌入式嵌入式CPU的基础还是通用型的基础还是通用型CPU，本质上与，本质上与通用通用CPU的区别不大。的区别不大。 为迎合不同的应用，只保留与具体应用相关的为迎合不同的应用，只保留与具体应用相关的功能，去除冗余的功能。功能，去除冗余的功能。6/52浙大微电子浙大微电子通用型微处理器通用型微处理器高垄断：高垄断：整个行业的整个行业的PC市场基本被市场基本被Intel、AMD两家所控两家所控制，制，Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域等少数公司只能分享工作站与服务器领域的一部分市场。的一部
5、分市场。高技术：高技术：通用通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高，强烈追求功能的强大和频率的提高， 对对最先进的最先进的IC工艺需求十分迫切，高端工艺需求十分迫切，高端CPU已进入已进入28 nm工工艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延艺制程。继续缩小加工尺寸将遇到漏电流增大及互连线延时瓶颈，因而转向通过改变体系框架发展多核时瓶颈，因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到来达到目标。目标。高利润：高利润：以以Intel处理器为例，其产品享受着处理器为例，其产品享受着3040%的高的高额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有额利润，而像戴尔这样的计算机公司，却只有5的利润。
6、的利润。高风险：高风险：高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必高技术意味着新的企业如果想进入这个行业，必然承受高风险这个代价。然承受高风险这个代价。7/52浙大微电子浙大微电子嵌入式嵌入式CPU 嵌入式嵌入式CPU主要用于消费类家电、汽车电主要用于消费类家电、汽车电子、工业设备等，是一个应用高度分散，子、工业设备等，是一个应用高度分散，不断创新的产业。不断创新的产业。 与通用与通用CPU领域的领域的“独大独大”局面不同，嵌局面不同，嵌入式入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。呈现的是一个百家争鸣的形态。 与通用型与通用型CPU主要使用主要使用x86或或PowerPC两两类核心架构相比，嵌入
7、式类核心架构相比，嵌入式CPU常见的核心常见的核心架构还包括架构还包括MIPS、ARM、SuperH等等。8/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）9/52浙大微电子浙大微电子1.2
8、微控制器（微控制器（MCU） MCU是各种自动控制系统的核心， 是最早的SoC。它将CPU、RAM、ROM、定时器、I/O接口和外围电路整合在单一芯片上，形成系统级芯片。 对系统的显示器、键盘、传感器显示器、键盘、传感器等外围进行控制。 市场的产品生命周期很长（汽车中3到10年，家电中5年）。运用的软件及操作系统也不太会更换，这些都有别于MPU市场。10/52浙大微电子浙大微电子 4、8、16、32位元位元MCU市场出货量市场出货量数据来源：In-Stat11/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态 1. 微器件（微器件（Micro Device）
9、1.1 微处理器（微处理器（MPU） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型1.2 微控制器（微控制器（MCU） 4、8、16、32位1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 通用型通用型、嵌入式型嵌入式型2. 存储器（存储器（Memory）3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）12/52浙大微电子浙大微电子数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 与微处理器分类一样，与微处理器分类一样，DSP也分为也分为通用通用DSP与与嵌入式嵌入式DSP两类两类。 通用通用DSP的主要市场在于通信应用。的主要市场在于通信应用。 嵌入式嵌入式DSP则应用广泛，包括则应
10、用广泛，包括MP3播放器、播放器、DVD播放机、机顶盒、音视频接收设备、数播放机、机顶盒、音视频接收设备、数码相机和汽车电子等。码相机和汽车电子等。13/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）14/52浙大微电子浙大微电子存储器（存储器（
11、Memory） 最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品最为体现半导体先进制程和经营规模效应的产品 是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非是一种最通用的商品，价格对供求变化的敏感性非常高，波动幅度极大。常高，波动幅度极大。 资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏不资金需求大、工艺技术要求先进，产业变动起伏不易控制易控制 市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力，市场特点决定需要很大规模的制造和量产能力， 是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资是半导体产业中最不稳定的市场，是制造商和投资者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉重，
12、但效益也是半导体产业中最高的。重，但效益也是半导体产业中最高的。15/52浙大微电子浙大微电子DRAM DRAM存储器起源于存储器起源于Intel公司，后日本、韩国及公司，后日本、韩国及中国台湾纷纷以此为切入点进入中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域，迄产业领域，迄今为止依然是这些国家和地区的主打产品。今为止依然是这些国家和地区的主打产品。 因为日本企业的逐渐强大，因为日本企业的逐渐强大，Intel在在1985年宣布退出存年宣布退出存储器领域，转而集中发展微处理器。储器领域，转而集中发展微处理器。 因为日本存储器产业的强大，使得因为日本存储器产业的强大，使得1988年日本位居全年日本位居全
13、球半导体产业之首，独占世界市场球半导体产业之首，独占世界市场50以上，并维持以上，并维持 7年之久。年之久。 同样因为韩、台在同样因为韩、台在DRAM领域的相继崛起，美国称霸领域的相继崛起，美国称霸微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位微处理器领域，导致日本在世界半导体市场上的地位又逐渐下降，近年已仅占又逐渐下降，近年已仅占20。16/52浙大微电子浙大微电子Flash(闪存闪存) 是一种非易失（非挥发）性存储器，用于是一种非易失（非挥发）性存储器，用于 数码相机数码相机 MP3 移动电话移动电话 移动多媒体等移动多媒体等 目前已采用目前已采用28纳米工艺制程，其基本存储单纳米工艺制程
14、，其基本存储单元为叠栅型元为叠栅型CMOS结构。结构。 电路形式为电路形式为NAND 和和 NOR17/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）18/52浙大微电子浙大微电子逻辑电路逻辑电路 逻辑电路扮演着逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角
15、色。中第一大门类的角色。 提供提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、定时和控制定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能操作以及系统运行所需要的其它功能 逻辑电路主要包括逻辑电路主要包括 通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、通用逻辑电路（与非、或非、倒相器、DFF、MUX） 现场可编程逻辑器件（现场可编程逻辑器件（FPLD,CPLD） 数字双极电路数字双极电路逻辑电路逻辑电路 与与存储器存储器、微处理器微处理器 一同构成了三种一同构成了三种 基本的基本的数字电路数字电路类型。类型。19/52浙大微电子浙大微电子一、通用集成电路的四种产品形态一、通用集
16、成电路的四种产品形态1. 微器件（微器件（Micro Device）1.1 微处理器（微处理器（MPU）1.2 微控制器（微控制器（MCU）1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）2. 存储器（存储器（Memory）2.1 DRAM2.2 FLASH3. 逻辑电路（逻辑电路（Logic）4. 模拟电路（模拟电路（Analog）20/52浙大微电子浙大微电子模拟电路模拟电路 模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自然模拟信号的集成电路产品。然模拟信号的集成电路产品。 常用模拟常用模拟 IC 电源系列（电源系列（AC/DC, DC/D
17、C, LDO ） 运算放大器（运算放大器（OPA） 比较器（比较器（Comparator） 数据转换接口（数据转换接口（ADC, DAC） 功放（功放（PA） 模拟滤波器（模拟滤波器（Filter） 模拟开关（模拟开关（Switch） 功率驱动功率驱动IC（Driver）21/52浙大微电子浙大微电子模拟电路产品特点模拟电路产品特点 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工具少、测试周期长。具少、测试周期长。 数字数字IC强调运算速度与成本，强调运算速度与成本，模拟模拟IC强调高信噪强调高信噪比、低失真、低功耗和稳定性。比、低失真、低功耗和稳定性。
18、主要的工艺有主要的工艺有CMOS，BiCMOS和和BCD工艺，在工艺，在高频领域还有高频领域还有SiGe和和GaAs工艺。工艺。 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有持续获利的前景。持续获利的前景。 TI、ST、NXP、Infineon和和 ADI 一直占据着全球一直占据着全球五大供应商位置。五大供应商位置。22/52浙大微电子浙大微电子二、专用集成电路及其发展趋势二、专用集成电路及其发展趋势 新电路的设计与实现 对已有电路或系统的集成改造 体积缩小 重量减轻 性能提高 成本降低 保密性增强 ASIC的发展以及IP核的复用技术，促成了SoC (S
19、ystem on a Chip) 的问世以及 SiP (System in a package) 概念的提出。 23/52PDP数字电视显示器行扫描驱动芯片数字电视显示器行扫描驱动芯片浙大微电子浙大微电子 333整体电路图整体电路图高压输出高压输出高低压转换高低压转换移位锁存移位锁存25/52浙大微电子浙大微电子高压输出电路部分高压输出电路部分26/52浙大微电子浙大微电子 高低压转换接口电路高低压转换接口电路27/52浙大微电子浙大微电子 移位寄存器和锁存器移位寄存器和锁存器28/52浙大微电子浙大微电子整体版图整体版图ABC29/52浙大微电子浙大微电子高压输出电路版图高压输出电路版图A3
20、0/52浙大微电子浙大微电子高低压转换接口部分的版图高低压转换接口部分的版图B31/52浙大微电子浙大微电子移位寄存器和锁存器版图移位寄存器和锁存器版图C32/52浙大微电子浙大微电子移位寄存器和锁存器的放大版图（移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）千倍）33/52浙大微电子浙大微电子三、常用半导体制造工艺 IC制造工艺 数字IC电路（ CMOS工艺） 模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺） 数模混合信号IC电路（ CMOS、BiCMOS工艺） 功率IC电路（ BCD工艺，SOI工艺） ASIC制造常用工艺（um） 标准CMOS工艺 (0.5, 0.35, 0.18, 0.13,
21、65nm)34/52浙大微电子浙大微电子Bipolar / CMOS / DMOS / SOI 工艺 CMOS DMOS SOIBipolar35/52浙大微电子浙大微电子四、ASIC设计流程 特殊器件的设计流程 (Device 工艺) 模拟电路设计流程 (Analog 工艺) 数字电路设计流程（Logic 工艺） 数/模混合电路设计流程 (Mixed-signal 工艺)36/52浙大微电子浙大微电子特殊器件的设计流程37/52浙大微电子浙大微电子常用的TCAD软件工具 所属公司工艺仿真器件仿真特点SynopsysTsuprem4 Medici国内业界广泛使用ISE(瑞士)被Synopsys
22、 公司收购DIOSMDRAW，器件生成DESSIS，器件仿真国外业界广泛使用SILVACOAthenaAtlas图形界面操作简单易学SentaurusSynopsysProcess Structure Editor Device 提供模型参数数据库和小尺寸模型 38/52浙大微电子浙大微电子 模拟模拟IC设计流程设计流程39/52浙大微电子浙大微电子 公司CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft电路图仿真SpectreHspice版图绘制Virtuoso版图验证及参数提取DivaDraculaCalibreLaker模拟集成电路设计常用工具模拟集成电路设
23、计常用工具40/52浙大微电子浙大微电子前端设计前端设计 数字数字IC设计流程设计流程41/52浙大微电子浙大微电子后端设计后端设计42/52浙大微电子浙大微电子数字集成电路数字集成电路设计常用工具设计常用工具 公司 CadenceSynopsysMentor GraphicsSpringSoft逻辑仿真NC-SimVCSModelsim逻辑综合Design- compiler布局布线SEEncounterAstroLaker时序验证Pearl可测性设计DFT-CompilerTetraMAX43/52浙大微电子浙大微电子五、ASIC设计需关注的主要数据 规模规模(元件数元件数/芯片芯片) 1
24、000万晶体管/Die, 100门/Die 芯片面积芯片面积(mm2) 1-100mm2 硅片直径硅片直径(mm) 20mm ( 8英寸)/wafer 特征线宽特征线宽(m) 0.18m, 65nm /CD 工作电压工作电压(V) 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V,0.5V 功耗功耗（mW） 16mW, 1.3mW, 6.5mW 速度（速度（MHz） 高速电路(数字), 时钟800 MHz 频率（频率（GHz） 射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz 速度功耗积速度功耗积/综合性能指标综合性能指标FOM - 1pJ/单位量化电平 温度特性（温度特性（PPM）- 民品、工业品、
25、军品温度范围 管脚数（只）管脚数（只）- 牵涉到芯片面积、封装类型及成本44/52浙大微电子浙大微电子六、ASIC成本 每个芯片(chip)的成本可用下式估算: 总成本 = 设计成本 + 光罩成本 + 制造成本 (暂不考虑封装测试成本) 其中Ct为芯片开发总成本 Cd 为设计成本， Cm 为光罩成本 Cp 为每片wafer上电路的加工成本 V 为总产量 y 为成品率 n 为每一大园片上的芯片数 (chip 数 / wafer)45/56浙大微电子浙大微电子降低成本的方法1. 增大V, V=ynw 当批量V做得很大时, 上式前二项可以忽略, 成本主要由生产加工费用决定。 2. 增大y: 缩小芯片
26、面积,因为当硅片的材料质量一定时, 其上的晶格缺陷数也基本上是确定的。一个芯片上如果有一个缺陷, 那芯片功能就难以保证。芯片做得越小, 缺陷落在其上的可能性也就越小, 成品率就容易提高。 46/56浙大微电子浙大微电子降低成本的方法(cont.)3. 增大n:增大wafer尺寸( 2英寸 4英寸 5英寸 8英寸 12英寸) 这种方法需要工艺设备更新换代的支持, 工艺设备的更新换代反过来使每一大园片的加工成本Cp也有所提高减小芯片面积, 使得在相同直径的大圆片上可以做更多的芯片电路 这种方法会不断要求工艺特征尺寸变小(0.6um 0.35um 0.18um 0.09um), 加工成本Cp也会有所
27、提高47/52浙大微电子浙大微电子在确定工艺下减小芯片面积的方法 优化的逻辑设计 - 用最少的逻辑部件完成最多的系统功能。本课程中介绍的乘法器、平方器的优化设计就是一些典型实例。 优化的电路设计 - 用最少的器件实现特定的逻辑功能。本课程中介绍的用CMOS传输门的方法实现D触发器, 较之传统的用“与非门”的方法就可大大减少器件数目。 优化的器件设计 - 尽量减小器件版图尺寸。器件结构要合理, 驱动能力不要有冗余。 优化的版图设计 - 尽量充分利用版芯面积, 合理布局, 减小连线长度,减少无用区等。48/52浙大微电子浙大微电子封装测试成本封装测试成本： DIP14 0.16元/颗 SOP14
28、0.20元/颗 SOT6 0.17元/颗ATE封装试样费1000元/项目ATE测试程序开发费2000元/项目AutomaticTest Equipment（型号:93K）49/56浙大微电子浙大微电子ASIC其他费用 (会逐年下降) 光罩（掩膜板）费用 3um工艺0.4万元/块，一套板9-10块 0.6umCMOS工艺1万元/块，一套板14-15块 最小流片量 3um 5寸线， 4 wafer/批， 0.1万元/wafer 流片最低价格 0.1*4 = 0.4万元 0.6um 6寸线： 25 wafer/批，0.36万元/wafer， 流片最低价格0.36*25=9万元50/52浙大微电子浙大微电子MPW（ CMOS多目标晶圆 ）价格 0.5um, 2*2 = 4 mm2 1万元人民币 0.18um, 5*5 = 25 mm2 2万美元 0.13um, 5*5 = 25 mm2 , 4万美元 切割（Sawing） 数百元人民币 / 刀（预留线宽100um）51/52浙大微电子浙大微电子不同设计方法下成本的比对不同设计方法的概念不同设计方法的概念全定制全定制-全手工设计全手工设计 多用于模拟多用于模拟IC半定制半定制-用标准单元用标准单元 多用于数字多用于数字IC FPGA-小批量情况小批量情况 多用于样品开发等多用于样品开发等52/52浙大微电子浙大微电子Thanks53/52
