中国科学技术大学：《超大规模集成电路设计（VLSI）》课程教学资源（课件讲稿）第1章 VLSI概论（主讲：胡新伟）

中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第1章VLSI概论 本章目录 1.1全世界半导体市场 1.2集成电路发展史 1.3摩尔定律Moore'sLaw) 1.4集成电路的分类 1.5数字集成电路设计的挑战 1.6集成电路设计方法 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.1全世界半导体市场 200 150 (ssn Jo suolll!g) 100 6 04 1982 1984 19861988 1990 19921994 1996199820002002 Year FG 1.1 Size of worldwide semiconductor market Source:Semiconductor Industry Association 资料来源：美国半导体行业协会 2018-9-5 第1章VLSI概论 8

2018-9-5 第1章 VLSI概论 7 第 1 章 VLSI概论 本章目录 ™1.1 全世界半导体市场 ™1.2 集成电路发展史 ™1.3 摩尔定律(Moore’s Law) ™1.4 集成电路的分类 ™1.5 数字集成电路设计的挑战 ™1.6 集成电路设计方法 2018-9-5 第1章 VLSI概论 8 §1.1 全世界半导体市场 资料来源：美国半导体行业协会

§1.1全世界半导体市场 2004年半导体产品类型比例 Discrete Compound 16.0% 14% Analog 本课程 MOS 9.5% 学习任务 Bipolar 7.7% Total Logic Semicon- Integrated 33.5%of ductor Circuits MOS Market 84%of MOS Digital 90.9%of the $212.9B the Total Integrated Digital Micro. Market Circuit 90.5%of 34.3%of Market MOS MOS Digital Memory 32.2%0f MOS Digital 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.1全世界半导体市场 集成电路产业发展现状 。 计算机和通信是信息社会的两大支柱，集成电路设计是计 算机和通信的核心技术。以集成电路为核心的电子信息产 业已成为世界第一大产业。 目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电 路相关。世界范围内集成电路销售额以年平均15%的速度 增长，2010年达到6000亿美元。 现代经济发展的数据表明，每2元的集成电路产值，带 动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元 GDP的增长。 如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计 算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电 路则高达2000。 2018-9-5 第1章VLSI概论 10

2018-9-5 第1章 VLSI概论 9 2004年半导体产品类型比例 §1.1 全世界半导体市场 本课程 学习任务 2018-9-5 第1章 VLSI概论 10 集成电路产业发展现状 • 计算机和通信是信息社会的两大支柱，集成电路设计是计 算机和通信的核心技术。以集成电路为核心的电子信息产 业已成为世界第一大产业。 • 目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电 路相关。世界范围内集成电路销售额以年平均15%的速度 增长，2010年达到6000亿美元。 • 现代经济发展的数据表明，每l~2元的集成电路产值，带 动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元 GDP的增长。 • 如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为1来计 算，则小轿车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电 路则高达2000。 §1.1 全世界半导体市场

§1.2集成电路发展史 最早的“计算器”一算盘 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.2集成电路发展史 ·第一个自动计算器(1832年) 90 The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts c0st:￡17,470 2018-9-5 第1章VLSI概论 12

2018-9-5 第1章 VLSI概论 11 最早的“计算器” ——算盘 §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 12 • 第一个自动计算器（1832年） The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts cost: £17,470 §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 1904年：英国电气工程师Fleming发明真空二极管，标志着世界 从此进入了电子时代。 1906年：美国人Lee De Forest发明真空三极管，为电子计算机 的发展奠定了基础。 ·ENIAC-第一台电子计算机(1946年) 诞生于美国宾夕法尼亚大学， 18000电子管，6000继电器， 7000个电阻，10000个电容， 重30吨，30米长，功率 174KW。时钟频率100KHz, 平均正常工作时间2.5小时。 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.2集成电路发展史 1940年贝尔实验室Russel发明PN结 。 l947年底贝尔实验室John Bardeeni和Walter Brattain发明 点接触晶体管(point contact transistor) 2018-9-5 第1章VLSI概论 14

2018-9-5 第1章 VLSI概论 13 诞生于美国宾夕法尼亚大学， 18000电子管，6000继电器， 7000个电阻，10000个电容， 重30吨，30米长，功率 174KW。时钟频率100KHz， 平均正常工作时间2.5小时。 §1.2 集成电路发展史 •1904年：英国电气工程师Fleming发明真空二极管，标志着世界 从此进入了电子时代。 •1906年：美国人Lee De Forest 发明真空三极管，为电子计算机 的发展奠定了基础。 •ENIAC – 第一台电子计算机 (1946年) 2018-9-5 第1章 VLSI概论 14 • 1940年贝尔实验室Russel发明PN结 • 1947年底贝尔实验室John Bardeen和 Walter Brattain 发明 点接触晶体管（ point contact transistor） §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 1951年贝尔实验室William Shockley发明了更实用的结 型晶体管（junction transistor),不久用于电话 上。 1956年，Villiam Shockley, John Bardeen和Walter Brattain获得Nobel物理奖。 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.2集成电路发展史 1958年.发明集成电路 集成电路：采用一定的制造工艺，把整个电路的元器件制作在同 一块半导体基片上，构成特定功能的电子电路。 1958年9月，Texas Instruments(简称TI)公司Jack Kilby用 5个集成元件做出了简单振荡器，1959年2月申请专利。 2018-9-5 第1章VLSI概论 16

2018-9-5 第1章 VLSI概论 15 • 1951年贝尔实验室William Shockley 发明了更实用的结 型晶体管（junction transistor），不久用于电话 上。 • 1956年，William Shockley ， John Bardeen和Walter Brattain 获得Nobel物理奖。 §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 16 • 1958年 - 发明集成电路 集成电路：采用一定的制造工艺，把整个电路的元器件制作在同 一块半导体基片上，构成特定功能的电子电路。 1958年9月, Texas Instruments（简称TI）公司Jack Kilby用 5个集成元件做出了简单振荡器, 1959年2月申请专利。 §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 1959年-发明平面工艺技术 1959年7月Fairchild公司Robert Noyce结合其同事Jean Hoerni 发明的刻蚀氧化硅工艺，在电路上淀积金属薄层进行电路连接， 使复杂集成电路成为可能。 20O0年，Jack Kilby,Robert Noyce?获得Nobel物理奖。 2018-9-5 第1章VLSI概论 §1.2集成电路发展史 1960年：Bell实验室 gate Kahng和Atalla造出 第一个MOSFET source >栅极：A山 >沟道长度：25μm drain >栅氧层厚度：100nm 25un™ 2018-9-5 第1章VLSI概论 18

2018-9-5 第1章 VLSI概论 17 • 1959年 – 发明平面工艺技术 1959年7月Fairchild公司Robert Noyce结合其同事Jean Hoerni 发明的刻蚀氧化硅工艺,在电路上淀积金属薄层进行电路连接, 使复杂集成电路成为可能。 2000年，Jack Kilby， Robert Noyce获得Nobel物理奖。 §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 18 •1960年: Bell实验室 Kahng和Atalla造出 第一个MOSFET ¾栅极：Al ¾沟道长度：25µm ¾栅氧层厚度：100nm §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 Bipolar logic 1960's ECL 3-input Gate Motorola 1966 GROUND 2018-9-5 第1章VLSI概论 19 §1.2集成电路发展史 1967年：Bell实验室的Kahng和Sze发明浮栅(Floating gate)技术 浮栅 栅极 源极 漏极 t n+ n+ 衬底 器件截面图 2018-9-5 第1章VLSI概论 20

2018-9-5 第1章 VLSI概论 19 §1.2 集成电路发展史 Bipolar logic 1960’s ECL 3-input Gate Motorola 1966 2018-9-5 第1章 VLSI概论 20 •1967年：Bell实验室的Kahng和Sze发明浮栅（Floating gate）技术 §1.2 集成电路发展史 器件截面图 浮栅 源极 衬底 栅极 漏极 n＋ p tox tox n＋

§1.2集成电路发展史 1970年：Intel公司 1 K bits DRAM芯片 工艺：硅栅PMOS工艺 特征尺寸：8μm 芯片面积：10mm2 资料来源：Intel 2018-9-5 第1章VLSI概论 21 §1.2集成电路发展史 1971年：Intel4004 工艺：硅栅PMOS工艺 特征尺寸：10um 晶体管数：2300个 时钟频率：108KHz 芯片面积：13.5mm2 ●白4804回了 资料来源：Intel 2018-9-5 第1章VLSI概论 22

2018-9-5 第1章 VLSI概论 21 • 1970 年： Intel公司 1K bits DRAM芯片 工艺：硅栅PMOS工艺 特征尺寸：8µm 芯片面积：10mm2 资料来源：Intel §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 22 • 1971年：Intel 4004 工艺：硅栅 PMOS工艺 特征尺寸：10µm 晶体管数：2300个 时钟频率：108KHz 芯片面积：13.5mm2 资料来源：Intel §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 是为匹” Intel 8080 Intel 8086/8088 Intel 80286 Intel 80386 Intel 80486 Intel Pentium® Intel Pentium®Pro Intel Pentium®II ntel Pentium®II 资料来源：Intel 2018-9-5 第1章VLSI概论 23 §1.2集成电路发展史 时间 微处理器 工艺 特征 芯片面积 晶体管数 时钟频率 尺寸 1974年 Intel 8080 NMOS,1P1M 6um 20.0mm2 6,000 2MHz 1978年 Intel8086/8088 NMOS,1P1M 3μm 28.6mm2 29,000 4.7-10MHz 1982年 Intel 80286 CMOS,1P2M 1.5μm 68.7mm2 134,000 6-12MHz 1985年 Intel 80386 CMOS,1P2M 1.5um 104mm2 275,000 16-33MHz 1989年 Intel 80486 CMOS,1P3M 1.0μm 163mm2 1.2M 25-50MHz 1993年 Intel Pentium® BiCMOS,1P3M 0.8um 264mm2 3.2M 60-66MHz 1995年 Intel Pentium®Pro BiCMOS.1P4M 0.35μm 310mm2 5.5M 150-200MHz 1997年 Intel Pentium®Ⅱ CMOS,1P4M 0.35μm 209mm2 7.5M 233-300MHz 1999年 Intel Pentium®Ⅲ CMOS,1P6M 0.18μm 140mm2 28M 500-733MHz 2018-9-5 第1章VLSI概论 24

2018-9-5 第1章 VLSI概论 23 Intel 8080 Intel 8080 Intel 8086/8088 Intel 80286 Intel 80286 Intel 80386 Intel 80486 Intel Pentium® Intel Pentium® Pro Intel Pentium® II Intel Pentium® III 资料来源：Intel §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 24 140mm 28M 500-733MHz 2 1999年 Intel Pentium® Ⅲ CMOS,1P6M 0.18µm 209mm 7.5M 233-300MHz 2 1997年 Intel Pentium® Ⅱ CMOS,1P4M 0.35µm 310mm 5.5M 150-200MHz 2 1995年 Intel Pentium® Pro BiCMOS,1P4M 0.35µm 264mm 3.2M 60-66MHz 2 1993年 Intel Pentium® BiCMOS,1P3M 0.8µm 163mm 1.2M 25-50MHz 2 1989年 Intel 80486 CMOS,1P3M 1.0µm 104mm 275,000 16-33MHz 2 1985年 Intel 80386 CMOS,1P2M 1.5µm 68.7mm 134,000 6-12MHz 2 1982年 Intel 80286 CMOS,1P2M 1.5µm 28.6mm 29,000 4.7-10MHz 2 1978年 Intel 8086/8088 NMOS,1P1M 3µm 20.0mm 6,000 2MHz 2 1974年 Intel 8080 NMOS,1P1M 6µm 特征 芯片面积 晶体管数 时钟频率 尺寸 时间 微处理器 工艺 §1.2 集成电路发展史

§1.2集成电路发展史 2000年： Intel Pentium®4 工艺：硅栅CMOS工艺， 1层多晶，6层金属 特征尺寸：0.18μm 晶体管数：42M 时钟频率：1.4-1.5GHz 芯片面积：224mm2 资料来源：Intel 2018-9-5 第1章VLSI概论 25 §1.2集成电路发展史 我国集成电路的发展 1956年研制出第一个储晶体管 1965年制成了第一片集成电路 我国集成电路生产能力方面 1993年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%， 相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。 2000年生产的集成电路为58.8亿块，国内集成电路市场总用 量为240亿块，国内市场占有率为24.5%。绝大部分依靠进口。 2005年生产的集成电路为288亿块，国内集成电路市场总用量 为830亿块，国内市场占有率为34.7%。 总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相 比大约落后10~15年。 2018-9-5 第1章VLSI概论 26

2018-9-5 第1章 VLSI概论 25 2000年： Intel Pentium® 4 工艺：硅栅 CMOS工艺， 1层多晶，6层金属 特征尺寸：0.18µm 晶体管数：42M 时钟频率：1.4-1.5GHz 芯片面积：224mm2 资料来源：Intel §1.2 集成电路发展史 2018-9-5 第1章 VLSI概论 26 我国集成电路的发展 1956年研制出第一个锗晶体管 1965年制成了第一片集成电路 我国集成电路生产能力方面 1993年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%， 相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。 2000年生产的集成电路为58.8亿块，国内集成电路市场总用 量为240亿块，国内市场占有率为24.5％ 。绝大部分依靠进口。 2005年生产的集成电路为288亿块，国内集成电路市场总用量 为830亿块，国内市场占有率为34.7％ 。 总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相 比大约落后10~15年。 §1.2 集成电路发展史