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第二讲

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第二讲. 专用集成电路概念及设计流程 韩 雁 2013 年 3 月. 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 IC. 半导体产业的主要产品分类. 分为四大类: 2011-2013 年全球半导体产品销售比例. 集成电路、. 分立器件、. 光电器件、. 传感器. 资料来源:世界半导体贸易统计组织. 一、通用集成电路的四种产品形态. 微器件( Micro Device ) 存储器( Memory ) 逻辑电路( Logic )

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第二讲

专用集成电路概念及设计流程

韩 雁

2013年3月

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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 IC

浙大微电子

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半导体产业的主要产品分类

分为四大类:

2011-2013年全球半导体产品销售比例

集成电路、

分立器件、

光电器件、

传感器

资料来源:世界半导体贸易统计组织

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一、通用集成电路的四种产品形态
  • 微器件(Micro Device)
  • 存储器(Memory)
  • 逻辑电路(Logic)
  • 模拟电路(Analog)

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一、通用集成电路的四种产品形态

1. 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

通用型、嵌入式型

1.2 微控制器(MCU)

4、8、16、32位

1.3 数字信号处理器(DSP)

通用型、嵌入式型

2. 存储器(Memory)

3. 逻辑电路(Logic)

4. 模拟电路(Analog)

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微处理器(MPU)

通用型微处理器

  • PC机或工作站、服务器等的CPU,
  • 具有高垄断、高技术、高利润、高风险 特征。

嵌入式型微处理器

  • 嵌入式CPU的基础还是通用型CPU,本质上与通用CPU的区别不大。
  • 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。

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通用型微处理器
  • 高垄断:整个行业的PC市场基本被Intel、AMD两家所控制,Sun、IBM等少数公司只能分享工作站与服务器领域的一部分市场。
  • 高技术:通用CPU强烈追求功能的强大和频率的提高, 对最先进的IC工艺需求十分迫切,高端CPU已进入28 nm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时瓶颈,因而转向通过改变体系框架发展多核CPU来达到目标。
  • 高利润:以Intel处理器为例,其产品享受着30~40%的高额利润,而像戴尔这样的计算机公司,却只有5%的利润。
  • 高风险: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。

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嵌入式CPU
  • 嵌入式CPU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,不断创新的产业。
  • 与通用CPU领域的“独大”局面不同,嵌入式CPU呈现的是一个百家争鸣的形态。
  • 与通用型CPU主要使用x86或PowerPC两类核心架构相比,嵌入式CPU常见的核心架构还包括MIPS、ARM、SuperH等。

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一、通用集成电路的四种产品形态

1. 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

通用型、嵌入式型

1.2 微控制器(MCU)

4、8、16、32位

1.3 数字信号处理器(DSP)

通用型、嵌入式型

2. 存储器(Memory)

3. 逻辑电路(Logic)

4. 模拟电路(Analog)

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1 2 mcu
1.2 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。

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4 8 16 32 mcu
4、8、16、32位元MCU市场出货量

数据来源:In-Stat

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一、通用集成电路的四种产品形态

1. 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

通用型、嵌入式型

1.2 微控制器(MCU)

4、8、16、32位

1.3 数字信号处理器(DSP)

通用型、嵌入式型

2. 存储器(Memory)

3. 逻辑电路(Logic)

4. 模拟电路(Analog)

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数字信号处理器(DSP)
  • 与微处理器分类一样,DSP也分为通用DSP与嵌入式DSP两类。
  • 通用DSP的主要市场在于通信应用。
  • 嵌入式DSP则应用广泛,包括MP3播放器、DVD播放机、机顶盒、音视频接收设备、数码相机和汽车电子等。

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一、通用集成电路的四种产品形态
  • 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

1.2 微控制器(MCU)

1.3 数字信号处理器(DSP)

  • 存储器(Memory)

2.1 DRAM

2.2 FLASH

  • 逻辑电路(Logic)
  • 模拟电路(Analog)

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memory
存储器(Memory)
  • 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,产业变动起伏不易控制
  • 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,是制造商和投资者眼中的高风险业务。存储器制造厂商经营压力沉重,但效益也是半导体产业中最高的。

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DRAM

DRAM存储器起源于Intel公司,后日本、韩国及中国台湾纷纷以此为切入点进入IC产业领域,迄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,Intel在1985年宣布退出存储器领域,转而集中发展微处理器。
  • 因为日本存储器产业的强大,使得1988年日本位居全球半导体产业之首,独占世界市场50%以上,并维持 7年之久。
  • 同样因为韩、台在DRAM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又逐渐下降,近年已仅占20%。

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flash
Flash(闪存)

是一种非易失(非挥发)性存储器,用于

  • 数码相机
  • MP3
  • 移动电话
  • 移动多媒体等

目前已采用28纳米工艺制程,其基本存储单元为叠栅型CMOS结构。

电路形式为NAND 和 NOR

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一、通用集成电路的四种产品形态
  • 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

1.2 微控制器(MCU)

1.3 数字信号处理器(DSP)

  • 存储器(Memory)

2.1 DRAM

2.2 FLASH

  • 逻辑电路(Logic)
  • 模拟电路(Analog)

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逻辑电路
  • 逻辑电路扮演着IC中第一大门类的角色。
  • 提供数据通信、信号处理、数据显示、电路接口、定时和控制操作以及系统运行所需要的其它功能
  • 逻辑电路主要包括
    • 通用逻辑电路(与非、或非、倒相器、DFF、MUX…)
    • 现场可编程逻辑器件(FPLD,CPLD)
    • 数字双极电路
  • 逻辑电路与存储器、微处理器一同构成了三种 基本的数字电路类型。

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一、通用集成电路的四种产品形态
  • 微器件(Micro Device)

1.1 微处理器(MPU)

1.2 微控制器(MCU)

1.3 数字信号处理器(DSP)

  • 存储器(Memory)

2.1 DRAM

2.2 FLASH

  • 逻辑电路(Logic)
  • 模拟电路(Analog)

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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。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。

常用模拟 IC

电源系列(AC/DC, DC/DC, LDO )

运算放大器(OPA)

比较器(Comparator)

数据转换接口(ADC, DAC)

功放(PA)

模拟滤波器(Filter)

模拟开关(Switch)

功率驱动IC(Driver)

模拟电路

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模拟电路产品特点
  • 品种多、生命周期长、技术含量高、辅助设计工具少、测试周期长。
  • 数字IC强调运算速度与成本,模拟IC强调高信噪比、低失真、低功耗和稳定性。
  • 主要的工艺有CMOS,BiCMOS和BCD工艺,在高频领域还有SiGe和GaAs工艺。
  • 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。
  • TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球五大供应商位置。

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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 (System on a Chip) 的问世以及 SiP (System in a package) 概念的提出。

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整体电路图

高压输出

高低压转换

移位锁存

3

3

3

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整体版图

A

B

C

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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, 65nm)

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bipolar cmos dmos soi
Bipolar / CMOS / DMOS / SOI 工艺

CMOS DMOS

Bipolar

SOI

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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)

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模拟IC设计流程

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数字IC设计流程

前端设计

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后端设计

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五、ASIC设计需关注的主要数据
  • 规模(元件数/芯片)–1000万晶体管/Die, 100门/Die
  • 芯片面积(mm2) –1-100mm2
  • 硅片直径(mm) –20mm ( 8英寸)/wafer
  • 特征线宽(μm)– 0.18μm, 65nm /CD
  • 工作电压(V)– 3.3V,1.8V, 1.2V, 0.8V,0.5V
  • 功耗(mW)– 16mW, 1.3mW, 6.5mW
  • 速度(MHz)–高速电路(数字), 时钟800 MHz
  • 频率(GHz)–射频电路(模拟), 2.4 GHz, 6GHz
  • 速度功耗积/综合性能指标FOM -- 1pJ/单位量化电平
  • 温度特性(PPM)-- 民品、工业品、军品温度范围
  • 管脚数(只)-- 牵涉到芯片面积、封装类型及成本

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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)

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降低成本的方法
  • 增大V, V=y×n×w

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。

  • 增大y:

缩小芯片面积,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。

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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也会有所提高

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在确定工艺下减小芯片面积的方法

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。

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封装测试成本

封装测试成本:

  • DIP14 0.16元/颗
  • SOP14 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

Automatic

Test

Equipment

(型号:93K)

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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

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mpw cmos
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)

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不同设计方法下成本的比对
  • 不同设计方法的概念
    • 全定制-全手工设计
    • 多用于模拟IC
    • 半定制-用标准单元
    • 多用于数字IC
    • FPGA-小批量情况
    • 多用于样品开发等

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Thanks

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