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电子电路设计与发展SOC-SystemsOnChip北京航空航天大学电子信息工程学院张晓林教授PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电子电路序论•主讲：张晓林博士、教授、博导•zxl@buaa.edu.cn学院网页zhangxiaolin•助教：•张帅350221•张学慧、刘春晖350222-224•鲍君海352301•答疑地点：主南201教室•电子学院(新主楼F座）•F504、F506、F510、F513室•电话：82317219、82339115、82339153PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电子电路：电子元、器件的有序组合。1-1元、器件的表征（集总参数）viqyfR(v,i)=0fMR(q,y)=0fC(v,q)=0fL(i,y)=0电阻器电子管晶体管电容器电感器q=∫idty=∫vdt记忆电阻§1电子电路的构成PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com抽样量化滤波D/A抽样数据电路数字电路模拟电路模拟信号模拟信号电子电路模拟电路数字电路抽样数据电路线性与非线性－元器件工作状态时变与时不变－元器件参数与时间的关系集总与分布参数－电路的物理尺寸与工作波长之间的比1-2电子电路的分类三种电路之间的联系PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电子管双极型MOSGaAs线性非线性集总参数分布参数模拟抽样数据数字时变时不变具体电路PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com1-3电子电路的发展1,高密度集成Moore1969年提出预测：每18个月芯片集成度（每平方毫米晶体管数）提高一倍。这个预测已为实践所证实，例如：1980年单片存储器容量为16kbits，而1998年单片存储器容量为16Mbits，18年增长了210=1024倍.实现这个增长的原因是集成电路的线条变细，器件的尺寸变小，从10mm1mm0.1mm，正因为如此，出现了随着集成度的增加，工作速度也增加并且成本下降的奇迹，这导致了一场对人类十分有利的电子革命，强有力地推动了社会生活各方面的发展。集成度的提高，在电子技术领域引发了巨大的变化：电子线路从小规模中规模大规模超大规模电子设备从电路板二次集成片上系统系统设计从器件级门级标准单元级可重用模块PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com电子电路的发展1,高密度集成Moore1969年提出预测：每18个月芯片集成度（每平方毫米晶体管数）提高一倍。这个预测已为实践所证实，例如：1980年单片存储器容量为16kbits，而1998年单片存储器容量为16Mbits，18年增长了210=1024倍.实现这个增长的原因是集成电路的线条变细，器件的尺寸变小，从10mm1mm0.1mm，正因为如此，出现了随着集成度的增加，工作速度也增加并且成本下降的奇迹，这导致了一场对人类十分有利的电子革命，强有力地推动了社会生活各方面的发展。集成度的提高，在电子技术领域引发了巨大的变化：电子线路从小规模中规模大规模超大规模电子设备从电路板二次集成片上系统系统设计从器件级门级标准单元级可重用模块PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com1、高工作频率和工作速度（时钟频率）因为电子设备应用十分广泛，频率资源不足，只能开辟频率更高的频段。对于数字电路，为完成高数据率信号（例如高清晰度电视）的实时处理，需要电路具有很高的时钟频率。工作频率的增加直接影响到电子线路的分析和设计。通常分为集总参数和分布参数电路，前者用Kirchhoff电压和电流定律分析和设计，后者用Maxwell方程分析和设计。集总参数和分布参数的区分可以最短工作波长与电路的物理尺寸之比作为模糊的界限。在集成电路中，因为电路物理尺寸已达亚微米（1毫米波长所对应的频率是300GHz），在GHz的工作频率已完全可以采用集总参数电路的分析和设计方法。因而工作在这个频率范围的电路形式与一般电路已没有区别。MFHFVHFUHFSHFEHF100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz1000GHzSiGaAsPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com2、低电源电压和低功耗随着集成度的提高，芯片内线条和线间距离已进入亚微米量级，使用高电源电压使线间电场强度过高，不利于电路的安全工作。便携设备使用越来越广泛，为设备供电电池的尺寸、重量、容量和价格成为制约便携设备的关键问题之一，降低设备的功耗是重要的解决方法。设计低电源电压和低功耗电路是电子线路技术的重要课题。模拟电路相对于数字电路困难更多，这里遇到的主要问题是保持尽可能高的信号－失调比和信号－噪声比，或者说保持尽可能大的动态范围。因此，低电源电压数字电路设计与高电源电压设计差别不大，而模拟电路则有明显的差别。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com3、可编程20世纪电气领域的四个重大变化：从电力到电子，从电子管到晶体管，从分立元件到集成电路和从固定功能到可编程。可编程实现了在同一硬件平台上利用编程方法实现不同功能。可编程硬件平台在数字电路中容易实现并已经取得迅速的发展，例如：可编程逻辑器件数字信号处理器而在模拟电路中实现则有相当困难。属于可编程模拟电路范围的一种称为现场可编程模拟阵列（FPAnalogArray）的实现思路可参看〖E.K.F.LeeandP.G.Gulok“FieldProgrammableAnalogArrayBasedonMOSFETTransconductors”Elect.Letters,Vol.28,Jan.1992,PP.28-29〗软件无线电概念是利用可编程特点的集中体现。软件无线电（SoftwareRadios）是90年代提出的通讯新概念，其基本思路是将从天线接收的信号进行数字化，然后根据需要对此数字信号进行处理，完成接收机的全部功能。由于整个信号处理过程全部在数字域进行，因而很容易由可编程数字电路构成硬件平台，用加载软件的办法完成所需要的功能。用这样的方法实现的接收机在功能上具有很大的灵活性，特别适合多种标准、多种工作模式的通信系统。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com典型软件无线电结构实时/准实时软件射频变换器宽带A/D-D/A可编程处理器窄带A/D-D/A(可选的内置源编解码)话筒视频传真数据移动单元高度集成化硬件系统基站模块化、开放式硬件系统PSTN宽带A/D-D/A射频变换器实时数据流实时/准实时软件可编程处理器离线软件业务开发工作站在线软件可编程处理器无线连接PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com内容提要•IC设计与制造发展形势•无生产线设计与代工制造•境外IC人才培养和环境建设政府计划•超大规模集成电路设计重大专项PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comTrendofICDesignandFabricationIC设计与制造发展趋势PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com当前国际微电子发展趋势1)特征尺寸:微米→亚微米→深亚微米→纳米主流工艺:0.25μm、0.18μm、0.13μm，前导工艺:0.09μm、0.06μm、0.045μm；2)电路规模：VLSI→SOC；CPU的晶体管数：9000万DRAM已达Gb规模3）晶圆的尺寸：8英寸→12英寸；PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com当前国际微电子发展趋势(续)4）集成电路的速度不断提高:–Intel公司已经用0.065μmCMOS工艺做出了主时钟5GHz的双核和多核CPU;–已经用0.18μmCMOS工艺实现了10Gbit/s的高速电路和5GHz的射频电路；5）设计能力落后于工艺制造能力:工艺增长58%设计增长21%6）电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线（Fabless）和无芯片（Chipless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件.PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comTrendofICTechnologies(IC工艺的发展)4μm2μm1μm0.5μm0.25μm0.13μm70nm1286432SOCULSIVLSILSIMSISSIFeatureSizeWaferSizeICScalePDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com晶圆、芯片与特征尺寸PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com8英寸(200mm)和12英寸(300mm)晶圆有多大？PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comProblemofICR&D&P(IC研发造面临的问题)n工艺特征尺寸越来越小;n电路规模越来越大;n芯片尺寸略有增大;n晶圆尺寸从2”增加到12”,芯片尺寸不变情况下,产量增加36倍&加上世界范围内芯片制造厂不断增加Ø结果是任何一种新设计出的芯片类型都会在不长的时间内被制造出来,被“吃光”.?问题是IC制造厂从何处得到足够的芯片品种和需求?PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comCrisisofICDesign(IC设计危机)PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.comIDMvs.F&F(设计制造一体化与无生产线加代工)•Upto1980’s,ICdesign,ICmanufacture,andICpackagingweremadeinonefab.Itistheso-calledIDM(IntegratedDeviceManufacture)mode.•IDM-modeisfurtheracceptedbysuchIC-superpowerasIntel.•TSMCcreated1987thesemiconductordedicatedfoundryindustr