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1、.,1,系统芯片（SoC）设计,.,2,目标与要求,目标复习VLSI系统导论的知识介绍SoC设计的基本方法和技术建立架构SoC芯片的基本能力要求具有计算机体系结构的背景知识对数字电路有一定了解,.,3,什么是SoC,逻辑单元,Analog,静态RAM,CPU 内核,PAD,.,4,课时安排,.,5,课时安排,.,6,课时安排,.,7,其它,主讲王学香:考核方式闭卷考试参考书数字集成电路电路、系统与设计（第二版）致谢本课件参考了多位国内外老师的相关课件，在此感谢这些做出贡献的老师们,.,8,集成电路历史与发展趋势,.,9,为什么要设计集成电路？,分为两个问题为什么要使用电子系统？为什么用集成电路
2、构建电子系统？以计算机的发展为例从机械到电子从电子管到晶体管从晶体管到集成电路,.,10,第一台计算机(1832),Babbage差分引擎25000个零部件3位10进制计算花费：17470,.,11,第一台电子计算机(1946),ENIAC17468个电子管6000个开关可做到每秒5000个数的加法运算,.,12,第一个晶体管(1947),William Shockley,Walter Brittain&John Bardeen(贝尔实验室)锗材料1956 Noble Prize,电子管统治了20世纪的前半部分:体积大、价格昂贵、功耗大、稳定性差现在，这一切改变了！,.,13,晶体管计算机,T
3、X-0(MIT,1953),Transistor(Manchester,1955),.,14,第一块集成电路(1958),Jack Kilby(TI)5个器件锗材料2000 Noble Prize,集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互联线把它们连接起来，成为一个电子器件。,.,15,第一块商用集成电路(1961),Fairchild（仙童）1bit存储器4个晶体管和5个电阻小规模集成电路的时代开始了Fairchild被认为是硅谷人才摇篮,.,16,处理器的诞生(1971),Intel 40042300个晶体管第一个单芯片计算机标志着大规模集成电路时代的开始10um工艺4位数据位
4、宽108KHz主频,.,17,使用IC来构建电子系统,电子系统的构建从电子管开始，然后让电子管小型化晶体管替代电子管，然后让晶体管小型化元器件越来越便宜，但是再便宜也要成本整个系统的成本和复杂度相关集成电路的出现让电路的制造变得像印照片一样容易元器件可并行制造成本和元器件个数无直接关系,.,18,集成电路的优点,集成的特性有利于减小体积提高速度降低功耗集成降低了制造成本几乎不存在组装的成本,.,19,处理器继续发展,1974,Intel 8080 第一颗通用微处理器8位数据宽度,4500个晶体管1979,Motorola 68000最强大的16位微处理器之一68000个晶体管大规模IC时代的标
5、志性产品1981,HP Focus Chip早期的32位处理器450,000个晶体管超大规模集成电路(VLSI)时代来临,.,20,Pentium 4(2001),0.18um工艺1.42GHz主频L2缓存:256 KB总线速度:400 MHz晶体管数:4200万功耗:44-55W 典型应用:PC,.,21,Intel Core 2(2006),2.9亿个晶体管3GHz主频65nm CMOS工艺面积143 mm2,.,22,VLSI发展带来的变化,Cray-1:世界上最快的计算机(1976-1982)64Mb存储器(50ns cycle time)40Kb寄存器(6ns cycle time)
6、1百万门(4/5 input NAND)80MHz主频功耗115kWIn 90nm工艺(2005)64Mb=9mm240Kb寄存器=0.13mm21百万个NAND4 gates=4mm23.5mm x 3.5mm芯片面积,和指甲大小接近,CRAY-1,.,23,微处理器路线图(Intel),2007年，晶体管诞生60周年之际,Intel发布45nm工艺的Penryn微处理器,拥有8.2亿个晶体管。,.,24,VLSI的发展趋势,晶体管更小,更快,更低功耗,更便宜几十年前，Gordon Moore已经预见了这种趋势，并成功做出了预测。,.,25,摩尔定律,1965,Gordon Moore预测单
7、个芯片上的晶体管数目每1824个月会增加一倍,Gordon MooreIntel Co-Founder&Chairman Emeritus,.,26,晶体管数目,.,27,工作频率,.,28,2000年预测的功耗,真是如此？,.,29,实际功耗,.,30,功率密度,功率密度的升高，导致散热成本大大增加,.,31,散热不好有何结果？,图片来自 http:/,.,32,摩尔定律能维持多久？,历史证明了摩尔定律是正确的它会失效吗？物理限制:65nm工艺下，SiO2的厚度大概是5个原子直径大小经济限制:技术的发展需要金钱支撑摩尔在2007年说，“摩尔定律”还可以继续保持10年，但之后就很难了。,.,3
8、3,摩尔定律的影响,新一代的制造工艺是原来的0.7倍新一代的芯片可集成原来2倍的功能，而芯片面积却没有明显增加同样功能的芯片，成本降低一半但新的挑战也随之而来,.,34,设计复杂度,集成了越来越多的晶体管，难以用传统的手工方法来设计和处理解决方法：CAD工具层次化设计设计复用,.,35,功耗和噪声,功耗变大，散热成为不得不考虑的问题电路复杂以后，产生噪声和互相干扰解决方法:更好的物理设计,.,36,连线面积,器件多了以后，互连线也随之增加，连线占用了大量的硅片面积解决方法:增加更多的连线层使用CAD工具进行三维布线,.,37,互连线延时,互连线变长，连线上的延时增加，成为限制电路性能的主要因素
9、之一解决方法:使用铜材料做互连在物理上优化连线的长度，增加驱动能力，优化驱动器,.,38,设计能力,.,39,设计方法,如何设计功能越来越多的电路?芯片的规模每两年增加一倍，但设计工程师的数量并没有每两年增加一倍所以，我们需要高效的设计方法用层次化抽象的方法来设计电路,.,40,VLSI不同层次的抽象,设计规范(what the chip does,inputs/outputs),架构major resources,connections,功能logic blocks,FSMs,connections,电路transistors,parasitics,connections,版图mask la
10、yers,polygons,逻辑gates,flip-flops,latches,connections,.,41,芯片的层次,n+,n+,S,G,D,+,物理器件,晶体管电路,门电路,功能模块,芯片,.,42,Future of scaling,.,43,不同设备的分类,.,44,More moore and more than moore,.,45,More than moore,随着线宽越来越小，制造成本在成指数的上升；随着线宽接近纳米尺度时，支配半导体的物理基础理论也越来越超越宏观的理论，而需要微观的量子理论，芯片的漏电也越来越大。一直驱动半导体行业的摩尔定律在经济和物理极限的作用下，
11、不能再有效的引领这个行业的发展。目前互联网，泛在网络接入的发展，人们越来越多的关注超越摩尔定律或后摩尔时代。作为最现代化，最为精细化，最为技术密集的半导体行业怎样驱动人类工业文明的发展？也许：多层硅多功能芯片封装，作为sensor的MEMS和化合物半导体将引领半导体新的发展，这意味着技术上不再单纯依靠CMOS，而进入模拟技术（analog），射频技术（RF），传感及作动（sensor and actuator）综合时代，即开始芯片级系统时代system-on-chip。,.,46,Review（1）,摩尔定律1965,Gordon Moore预测单个芯片上的晶体管数目每1824个月会增加一倍实际上单个芯片上的晶体管数目每两年增加一倍工作频率每两年提高一倍，现在已放慢了速度功耗曾经每两年提高不止一倍，现在已不再增加因为功率密度的增加会导致散热成本大大增加。,.,47,Review（2）,摩尔定律所带来的挑战物理限制:65nm工艺下，SiO2的厚度大概是5个原子直径大小设计越来越复杂，不能用传统的手工方法来设计功耗变大，散热成为不得不考虑的问题电路复杂以后，产生噪声和互相干扰器件多了以后，互连线也随之增加，连线占用了大量的硅片面积互连线变长，连线上的延时增加，成为限制电路性能的主要因素之一芯片的规模每两年增加一倍，但设计工程师的数量并没有每两年增加一倍,
