1-集成电路设计概述.ppt
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1、集成电路设计基础集成电路设计基础第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述华南理工大学华南理工大学华南理工大学华南理工大学 电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院电子与信息学院广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥殷瑞祥 教授教授教授教授第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.1 集成电路(集成电路(IC)的发展)的发展集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展ICIntegrated Circuit;集成集成电路是路是电路的路的单芯片芯片实现;集成集成电路是微路是微电子技子技术
2、的核心;的核心;1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展单片半导体材料单片半导体材料元件元件连线连线I/O工艺加工工艺加工应用电路系统应用电路系统晶体管的发明晶体管的发明晶体管的发明晶体管的发明1946年年1月,月,Bell实验室正式成立半室正式成立半导体研究小体研究小组:W.Schokley,J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面提出了表面态理理论,Schokley给出了出了实现放大器的基本放大器的基本设想,想,Brattain设计了了实验;1947年年12月月23日,第一次日,第一次观测到了具有放大作用的
3、到了具有放大作用的晶体管;晶体管;1947年年12月月23日第一个点接触式日第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者:明者:W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理奖物理奖1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展获得获得获得获得19561956年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明1952年年5月,英国科学家月,英国科学家G.W.A.Dummer第一次提第一次提出了集成出了集成电路的路的设想。想。1958年以德
4、克年以德克萨斯斯仪器公司(器公司(TI)的科学家基)的科学家基尔比比(Clair Kilby)为首的研究小首的研究小组研制出了世界上第一研制出了世界上第一块集成集成电路,并于路,并于1959年公布了年公布了该结果。果。锗衬底上形成台面双极晶体管和底上形成台面双极晶体管和电阻,阻,总共共12个器个器件,用超声件,用超声焊接引接引线将器件将器件连起来。起来。获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理
5、奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明平面工平面工艺的的发明明1959年年7月,月,美国美国Fairchild 公司的公司的Noyce发明第一明第一块单片集成片集成电路:路:利用二氧化硅膜制成平面晶体管,利用二氧化硅膜制成平面晶体管,用淀用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作膜作为元器件元器件间的的电连接接(布布线)。这是是单片集成片集成电路的路的雏形,是与形,是与现在的硅集成在的硅集成电路路直接有关的直接有关的发明。将平面技明。将平面技术、照相腐、照相腐蚀和布和布线技技术组合起来,合起来,获得大量生得大
6、量生产集成集成电路的可能性。路的可能性。1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展第一块单片集成电路第一块单片集成电路第一块单片集成电路第一块单片集成电路集成电路发展史上的几个里程碑集成电路发展史上的几个里程碑集成电路发展史上的几个里程碑集成电路发展史上的几个里程碑1962年年Wanlass、C.T.SahCMOS技技术现在集成在集成电路路产业中占中占95%以上以上1967年年Kahng、S.Sze 非非挥发存存储器器1968年年Dennard单晶体管晶体管DRAM1971年年Intel公司生公司生产出第一个出第一个微微处理器芯片理器芯片4
7、004计算机的心算机的心脏目前全世界微机目前全世界微机总量量约6亿台,在美国每年由台,在美国每年由计算算机完成的工作量超机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特人年工作量。美国欧特泰克公司泰克公司认为:微:微处理器、理器、宽带连接和智能接和智能软件将件将是是21世世纪改改变人人类社会和社会和经济的三大技的三大技术创新。新。1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路的发展水平的标志集成电路的发展水平的标志集成电路的发展水平的标志集成电路的发展水平的标志IC加工工加工工艺的特征尺寸的特征尺寸(MOS晶体管的最小晶体管的最小栅长、
8、最小金属、最小金属线宽)集成度集成度(元件(元件/芯片)芯片)生生产IC所用的硅片的直径所用的硅片的直径(6、8、12英寸)英寸)芯片的速度芯片的速度(时钟频率率)1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展小小规模集成(模集成(SSI)中中规模集成(模集成(MSI)大大规模模集成(集成(LSI)超大超大规模集成模集成电路路(VLSI)特大特大规模模集成集成电路路(ULSI)GSI SoC。1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集
9、成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展1990年代以后年代以后,工工艺从从亚微米微米(0.5到到1微米微米)深深亚微米微米(小于小于0.5 m)超深超深亚微米微米(小于小于0.25 m,目前已,目前已经到了到了0.06 m)发展。其主要特点:展。其主要特点:特征尺寸越来越小(最小的特征尺寸越来越小(最小的MOS管管栅长或者或者连线宽度)度)芯片尺寸越来越大(芯片尺寸越来越大(die size)单片上的晶体管数越来越多片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快速度越来越快 电源源电压越来越低越来越低 布布线层数越来越多数越来越多 I/O引引线越来越多越来越多1.1 1.1 集成电路
10、(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路发展规划(集成电路发展规划(集成电路发展规划(集成电路发展规划(19971997)年份年份年份年份19971997199919992001200120032003200620062009200920122012最小线宽最小线宽最小线宽最小线宽(mmmm)0.250.250.180.150.130.100.070.01DRAMDRAM容量容量容量容量256M1G1G4G4G16G64G256G晶体管数量晶体管数量(M)112140762005201400芯片尺寸芯片尺寸(mm2)3003403854305206207
11、50时钟频率时钟频率(MHz)750120014001600200025003000金属层数金属层数6677778899最低供电电压最低供电电压(V)1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大硅片直径最大硅片直径(mm)2008吋吋30012吋吋30012吋吋30012吋吋30012吋吋45018吋吋45018吋吋1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路工艺特征尺寸集成电路工艺特征尺寸集成电路工艺特征尺寸集成电路工艺特征尺寸1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集
12、成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展单个芯片上的晶体管数单个芯片上的晶体管数单个芯片上的晶体管数单个芯片上的晶体管数1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路芯片面积集成电路芯片面积集成电路芯片面积集成电路芯片面积1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路的电源电压集成电路的电源电压集成电路的电源电压集成电路的电源电压1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展集成电路的时钟频率集成电路的时钟频率集成电路的时
13、钟频率集成电路的时钟频率1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展摩尔定律(摩尔定律(摩尔定律(摩尔定律(Moores LawMoores Law)Min.transistor feature size decreases by 0.7X every three yearsTrue for at least 30 years!(Intel公司前董事公司前董事长Gordon Moore首次于首次于1965提出提出)后人后人对摩摩尔定律加以定律加以扩展:展:集成集成电路的路的发展每三年展每三年工艺升级一代;工艺升级一代;集成度翻二番;集成度翻二
14、番;特征线宽约缩小特征线宽约缩小30左右;左右;逻辑电路(以逻辑电路(以CPU为代表)的工作频率提高约为代表)的工作频率提高约30。1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展IntelIntel公司公司公司公司CPUCPU发展发展发展发展1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展IntelIntel公司公司公司公司CPUCPU发展发展发展发展 Year of introductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,000808
15、6197829,0002861982120,0003861985275,000486DX 19891,180,000Pentium 19933,100,000Pentium II 19977,500,000Pentium III 199924,000,000Pentium 4 200042,000,000单片集成电路晶体管数单片集成电路晶体管数单片集成电路晶体管数单片集成电路晶体管数1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发展)的发展特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸1.1 1.1 集成电路(集成电路(集成电路(集成电路(ICIC)的发展)的发展)的发
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