第一讲数字集成电路质量评价

TJICTJU.ASICCenter---ArnoldShi1数字集成电路天津大学电子科学与技术系史再峰[e-mail]---ArnoldShi2选用教材数字集成电路—电路系统与设计（第二版）电子工业出版社,JanM.Rabey等，周润德翻译ISBN7-121-00383-X/TN.030TN431.2定价68.00，蔚蓝49.00定价58.00，亚马逊46.40TJU.ASICCenter---ArnoldShi3参考资料NeilH.E.Weste&Kamram.Eshraghian:第二版《PrinciplesofCMOSVLSIDesign》，AddisonWesley.SecondEdition.DigitalIntegratedcircuitsADesignPerspectiveJanM.Rabey著，PRENTICEHALL清华大学出版社影印版《REUSEMETHODOLOGYMANUALFORSYSTEM-ON-A-CHIPDESIGNS（THIRDEDITION）》MichaelKeating，PierreBricaud，Synopsys,Inc.TJU.ASICCenter---ArnoldShi4课程介绍联系方式:[e-mail]课程讨论区:e.tju.edu.cn——超大规模集成电路设计不选课者不得参加听课和考试！！国外大学该课程名称：CSE477TJU.ASICCenter---ArnoldShi5课程目标了解数字集成电路设计的一般方法和流程掌握传输线理论和建模分析的方法学会设计基本的CMOS组合逻辑和时序逻辑电路，并进行仿真（Simulation)，学会使用设计和仿真用的EDA工具掌握数字系统的时序分类和同步异步设计掌握简单运算功能模块的设计培养学习数字集成电路设计相关知识的兴趣承担起中华民族伟大复兴的神圣使命，为大力发展中国集成电路产业贡献力量。TJU.ASICCenter---ArnoldShi6课程安排集成电路质量评价导线CMOS反相器CMOS组合逻辑电路时序逻辑电路数字电路的时序问题运算功能模块的设计TJU.ASICCenter---ArnoldShi7学习方式课堂讲授,认真听讲课后自学,完成作业课件原则上不散发，不对外拷贝遵德性而道问学致广大而尽精微极高明而道中庸TJU.ASICCenter---ArnoldShi8大规模集成电路的设计流程(1)TJU.ASICCenter---ArnoldShi9大规模集成电路的设计流程(2)TJU.ASICCenter---ArnoldShi10数字电路设计的抽象模型系统级SYSTEM门级GATEVoutVin电路级CIRCUITVoutVin模块级MODULE+器件级DEVICEn+SDn+GTJU.ASICCenter---ArnoldShi11TJICTJU.ASICCenter---ArnoldShi12第一章集成电路分类与数字设计的质量评价TJU.ASICCenter---ArnoldShi13集成电路的分类——集成电路有如下几种分类方法：􀂙按功能分类：􀂙数字集成电路􀂙模拟集成电路􀂙数、模混合集成电路􀂙按结构形式和材料分类：􀂙半导体集成电路􀂙膜集成电路（二次集成，分为薄膜和厚膜两类）􀂙按有源器件及工艺类型分类􀂙双极集成电路（TTL,ECL,模拟IC）􀂙MOS集成电路（NMOS,PMOS,CMOS）􀂙BiMOS集成电路——双极与MOS混合集成电路TJU.ASICCenter---ArnoldShi14集成电路的电路规模按集成电路的电路规模分类􀂙小规模集成电路(SSI)：电路等效门：10~50􀂙中规模集成电路(MSI)：电路等效门：50~1K􀂙大规模集成电路(LSI)：电路等效门：1K~10K􀂙超大规模集成电路(VLSI)：电路等效门：10K~1000K􀂙甚大规模集成电路(ULSI)：电路等效门：1000K~1000M吉（极）大规模集成电路（GLSI）电路等效门：1GT大规模集成电路（TLSI）：电路等校门：1000G继续呢？TJU.ASICCenter---ArnoldShi15集成电路的分类按生产目的分类􀂙通用集成电路（如CPU、存储器等）􀂙专用集成电路（ASIC）􀂙按实现方法分类􀂙全定制集成电路􀂙半定制集成电路􀂙可编程逻辑器件TJU.ASICCenter---ArnoldShi16全定制集成电路（Full-CustomDesignApproach）——即在晶体管的层次上进行每个单元的性能、面积的优化设计，每个晶体管的布局/布线均由人工设计，并需要人工生成所有层次的掩膜（一般为13层掩膜版图）。􀂙优点：所设计电路的集成度最高产品批量生产时单片IC价格最低可以用于模拟集成电路的设计与生产􀂙缺点：设计复杂度高/设计周期长NRE费用高（Non-RecurringEngineering）􀂙应用范围集成度极高且具有规则结构的IC（如各种类型的存储器芯片）对性能价格比要求高且产量大的芯片（如CPU、通信IC等）模拟IC/数模混合ICTJU.ASICCenter---ArnoldShi17半定制集成电路半定制集成电路（Semi-CustomDesignApproach）——即设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终的设计，只需要生成诸如金属布线层等几个特定层次的掩膜。根据采用不同的半成品类型，半定制集成电路包括门阵列、门海和标准单元等。1门阵列（GA：GateArray）2门海（Sea-of-Gate）3标准单元（Standard-Cells）TJU.ASICCenter---ArnoldShi18门阵列（GA：GateArray）门阵列（GA：GateArray）——有通道门阵列Channeledgatearray）：就是将预先制造完毕的逻辑门以一定阵列的形式排列在一起，阵列间有规则布线通道，用以完成门与门之间的连接。未进行连线的半成品硅圆片称为“母片”。TJU.ASICCenter---ArnoldShi19半定制集成电路的“母片”TJU.ASICCenter---ArnoldShi20门海（SOG：Sea-of-Gate）门海（SOG：Sea-of-Gate）——无通道门阵列（Channellessgatearray）：也是采用母片结构，它可以将没有利用的逻辑门作为布线区，而没有指定固定的布线通道，以此提高布线的布通率并提高电路性能供更大规模的集成度。􀂙门阵列生产步骤：（1）母片制造（2）用户连接和金属布线层制造TJU.ASICCenter---ArnoldShi21无布线通道的门海(SOG)TJU.ASICCenter---ArnoldShi22半定制集成电路标准单元（Standard-Cells）：是指将电路设计中可能经常遇到的基本逻辑单元的版图按照最佳设计原则，遵照一定外形尺寸要求，设计好并存入单元库中，需要时调用、拼接、布线。各基本单元的版图设计遵循“等高不等宽”的原则。•目前标准单元的单元集成度已经达到VLSI的规模，用这些单元作为“积木块”，根据接口定义可以“搭建”成所需的功能复杂的电路TJU.ASICCenter---ArnoldShi23可编程逻辑器件可编程逻辑器件——这种器件实际上也是没有经过布线的门阵列电路，其完成的逻辑功能可以由用户通过对其可编程的逻辑结构单元（CLB）进行编程来实现。可编程逻辑器件主要有PAL、CPLD、FPGA等几种类型，在集成度相等的情况下，其价格昂贵，只适用于产品试制阶段或小批量专用产品。􀂙TJU.ASICCenter---ArnoldShi24设计复杂度及费用比较几种集成电路类型设计复杂度及费用比较FullCustomStandardCellGateArrayProgrammableLogicDeviceTJU.ASICCenter---ArnoldShi25不同产量时成本与设计方法的关系TJU.ASICCenter---ArnoldShi26专用集成电路（ASIC）的设计要求对ASIC的主要设计要求为：􀂙设计周期短（Time-to-Market）􀂙设计正确率高（One-Time-Success）􀂙速度快􀂙低功耗、低电压􀂙可测性好，成品率高􀂙硅片面积小、特征尺寸小，价格低TJU.ASICCenter---ArnoldShi27SoC片上系统System-on-a-Chip，系统级芯片􀂙出现在20世纪90年代末，采用电子设计自动化（EDA）技术进行芯片设计，将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗芯片上。公认的SOC特点：由可设计重用的IP核组成IP核应采用深亚微米以上工艺技术有多个MPU、DSP、MCU或其复合的IP核及存储模块TJU.ASICCenter---ArnoldShi28SoC的结构TJU.ASICCenter---ArnoldShi29典型的多媒体处理SoCTJU.ASICCenter---ArnoldShi30VLSI设计业面临的关键问题设计方法学的研究：理论和设计流程。IP核的复用。功耗、噪声和电迁移的分析工具。针对大规模芯片的阻、容、感提取工具。复杂芯片的验证与测试。良率。TJU.ASICCenter---ArnoldShi31数字设计的质量评价集成电路的成本1功能性和稳定性2性能（performance）3功耗和能耗4TJU.ASICCenter---ArnoldShi32晶圆（SiliconWafer）SingledieWaferTJU.ASICCenter---ArnoldShi33一个集成电路常称为DieTJU.ASICCenter---ArnoldShi34TJU.ASICCenter---ArnoldShi35芯片成品率α取决于制造工艺的复杂性的参数，大约为3单位面积缺陷率典型为0.5~1个/平方厘米芯片成本与芯片面积的四次方成正比芯片面积单位面积缺陷率芯片成品率1TJU.ASICCenter---ArnoldShi36集成电路的成本固定成本：设计等可变成本：部件、封装、测试等产量固定成本可变成本每个集成电路成本最终测试成品率封装成本测试成本芯片成本可变成本芯片成品率每个晶圆的芯片数晶圆成本芯片成本TJU.ASICCenter---ArnoldShi37数字设计的质量评价集成电路的成本1功能性和稳定性2性能（performance）3功耗和能耗4TJU.ASICCenter---ArnoldShi38功能性和稳定性功能性稳定性电压传输特性噪声容限再生性方向性扇入和扇出理想的数字门抗噪声能力TJU.ASICCenter---ArnoldShi39电压传输特性V(x)V(y)fV(y)V(x)表示了输出电压与输入电压的关系VOH=f(VIL)VILVIHV(y)=V(x)开关阈值电压VMVOL=f(VIH)TJU.ASICCenter---ArnoldShi40逻辑电平映射到电压范围V(x)V(y)斜率=-1斜率=-1VOHVOLVILVIH10不确定区VOHVOLVILVIH可接受的高电平和低电平区域分别由VIH和VIL电平来界定，代表了VTC曲线上增益为-1的点TJU.ASICCenter---ArnoldShi41电容耦合举例Crosstalkvs.Technology0.16mCMOS0.12mCMOS0.35mCMOS0.25mCMOSPulsedSignal黑线quiet红线pulsedGlitchesstrengthvstechnologyTJU.ASICCenter---ArnoldShi42噪声容限不确定区10VOHVILVOLVIHNM