超大规摸集成电路与系统导论 所有非关键部分。当特殊问题出现或综合的结果不能满足必需的要求时，就要采用定制设计， 进行各种逻辑方程和电路的推导和测试，作为解决手头问题的手段。这是一项高强度和耗时 的工作，只用于关键部分。 指令集 基本部件 休系结构模刑 方块图 RL和 行为级DL 测试指令 逻辑描述 功能 部件级设计 端口连接 逻辑电子电路 电气特性 硅芯片逆辑 硅芯片特性 设计完成 图1.3一个微处理器的简单设计流程 逻辑模型产生功能部件，部件再转化为电子电路。在这一设计过程中，硅片电路的特性显 得重要起来。对于一个复杂的功能，通常可以找到几个等效的逻辑表达式，它们给出相同的输 出，却使用不同的方程和逻辑门。比如，回想一下如何用一张卡诺图来简化逻辑方程的。硅片 VLS之所以复杂是因为它的每类逻辑门或电路都具有各自不同的特性，必须经常寻找比用 一个明显可行的方案设计更快或更小的电路。一个先进的综合工具能够接受HDL代码且对 逻辑门和硅片电路提出设计建议，但是从任何意义上来讲，这套工具还未能达到产生最佳设计 的水平。 逻辑和电路设计完毕后，是用这些信息在物理设计层次上产生集成电路。这个过程需要 经过一系列步骤完成。此时晶体管定义为在硅芯片上的三维结构，然后利用另一组CAD绘图 工具布局和布线。一旦完成，可对设计进行测试和验证，用来生成生产线实际制造电子芯片所 需要的数据库。制造VLSI芯片本身是一个非常复杂的专业领域，一旦开始制造，可能要用好 几个星期才能生产出最后的电路。 整个设计过程的细节远比简单流程图所画的要复杂得多，不过它还是说明了自上而下设 计流程最基本的内容。VLSI设计应考虑必要的细节使制造出的芯片能按设计要求高度可靠 地工作并具有较长的寿命，当然销售还要赢利
1章VLSI概论 5 1.1.2VLSl芯片的类型 就工程上说，数字VLSI芯片可以按其实现和构成电路时所采用的方法分类。全定制设 计是指一个设计项目的每个电路都是定制设计的。这是一个非常单调耗时的过程，因此用这 种方法设计整个系统不切实际。 专用集成电路(ASIC)使数字电路设计者产生一个用于专门用途的集成电路(IC),它普遍 用于设计原型和小批量产品。它们使用一套扩展的CAD工具。这些工具通过标准的数字逻 辑结构，如状态图、功能表和逻辑图来描述系统。通常，一个ASC设计者并不需要了解有关 电子器件或硅芯片的实际结构。设计自动化CAD工具负责进行逻辑设计并且构成芯片的大 部分。A$C设计的一个缺点是，所有的特性（如速度）都由体系结构设计确定，设计者无法改 动电子器件，所以时间延迟不能改变。现代ASC已发展到很高的技术水平，一般都能解决 大类问题。 半定制设计介于全定制和ASC类电路的设计之间。芯片的大部分采用一组预先定义的 基本单元，作为构建功能块。每个单元提供一个基本的功能，例如逻辑操作或存储电路，因此 主要设计取决于一个叫做“库”的数据库集合。一个单元本身包含在硅片上建立电路所需的所 有信息。如果采用单元库还不能满足系统要求，那么半定制设计可以允许设计者找到一种解 决办法，产生具有所需要特性的另一种硅片电路。这仅用于芯片上有问题的小范围。例如微 处理器中的浮点电路可以十分复杂，所以某些部分需要运用定制设计来满足时序方面的安排。 大多数高性能的芯片都要用到各种半定制的设计方法。 1.2基本概念 本书的目的是介绍VLSI领域的全貌。总的来说，VLS[设计是一门系统设计学科。其中 许多方面的讲解并不需要硅片电路的基础。利用CAD工具可以完成系统的设计，且把必要的 数据交给生产部门用于生产。虽然这种方法可以得到功能正确的结果，但却使其中许多细节 不为设计者所见。简化设计程序是重要的，但许多VLSI功能最强的技术和概念处于较低层 次，因面会被丢失。电路虽能运行，但不能像它们本来可以的那样快或那样小。 应当把VLSI看做一门关于复杂集成电路的概念、设计和制造的单一学科。许多系统层 次上的概念都是以硅片层次上的电路特性为基础的。当Caltech公司的Carver Mead在20世 纪70年代开拓这一领域时，VLSI的最重要基础之一来源于他观察到可以把数字电子集成电 路看成在硅芯片表面上的一组几何图形。图形组合代表不同的逻辑功能，且在系统中重复多 次，因而复杂问题可以通过一定的结构方式和重复的图形恰当地放在一起的概念进行处理， 信号流和数据的移动可以通过追踪载流金属线的路径来得到。这样，就有可能将布尔表达式 以一种确切定义的方式直接转化为硅片上的几何图形。图1.4中CMOS芯片的显微照片显 示在一个已完成的器件上许多这方面的特点。特别注意那些重复的图形，顺序放置的矩形线 条，多边形以及几何图形的组合。①Mead的观察（及其大量的工作）已将VLSI构建成今天这 ①这是G6 orgjia Tech设计的一个二进制加法器电路的一部分，每组图形相加两位并产：生和位及进位输出。 一m
6 短大规模集成电路与系统导论 样一个重要的领城。可见，对LSI有一个全面一致的认识已变得非常重要。 图1.4一个数字CMO6集成电路局部的显做照片 VLSI设计包含数字系统设计中许多实际的方面。一个事实是，即便性能最强的系统芯 片(SOC)也必须与其他部件发生联系才能得到可工作的单元。这是通过将硅片电路放在一片 矩形材料的中央，然后以某种技术使外部导线与其相连。图1.5为压焊块的应用，它们是一些 方形的金属块，导线可以被焊接并且连接到安装芯片的封装上。BM开发一种称为C4的更 先进的技术，它能使金属“焊点”分布在芯片表面上，通过将芯片倒装使焊点朗下与布线栅格 对准。 巷州 口口0口日口口口口可 日 口 回 一北地块 口 Vs图电路 D口口 ◇ 口口▣口口口▣口口回 图15对外连接用的压焊块结构 在理想情况下，可将芯片做成任意大小，这似乎可以在一个芯片上设计越来越复杂的系统
第1章VLSI概论 而不需要任何焊接。可惜的是，由于硅晶体结构不可避免的缺陷，造成不能生产一个功能正确 的设计。电路的面积越大，缺陷发生的可能性就越大，甚至仅一个坏的晶体管或连接点就会导 致电路不工作。所以，尽可能使整个芯片的尺寸较小。我们还注意到，生产中的其他问题也限 制了芯片的大小。 为了克服这一限制，我们借用这一理由：即缩小晶体管的尺寸就能把更多的器件放到一个 给定的芯片面积上。从技术上讲，这是一个非常困难的问题。精细的设计和制造技术可使器 件的最小尺寸达到1.3×10~7m左右。达到这一水平时，可以改用微米(m)即“micron”来度 量。1m=10-6m=10-4cm。此时，称它为0.13m工艺。 对VLSI晶体管密度的经典预测之一称为摩尔定律(Moore'sLaw)。戈登·摩尔(Gordon Moore)是Intel公司的创始人之一，他在20世纪70年代就看到了芯片制造技术将快速发展。 他预计，在一个芯片上晶体管的数目大约每18个月就将翻倍。虽然由于技术上的问题或经济 变缓而会有所不同，但摩尔定律已被证明与实际趋势惊人地接近。图1.6是随机从主要销售 商处选取的微处理器芯片的器件数目随年度变化的关系图。由于尺寸的缩小受到技术上的限 制，管子数目这样的增长速度还能保持多久，一直引起人们的争论。然而不管实际的增长率将 如何，有一点是清楚的，即VIS设计仍将在今后许多年中保持强劲的势头。 110×100万 42×100力： 21×100力甲 10 9×100力1 55x100万甲 31X100万甲 105 12X100力 : 卓0.25×100万 103 10 1985 1990 1995 2000 年份 图1.6器件数目随年度增长 通过以上对VLSI某些问题的简短介绍，可以看到这一领域本身的广阔天地。一个VLSI 设计小组的任务就是在一片细小硅片上制造一个复杂的大系统。从抽象建模和时序向下直到 制作上百万个晶体管的芯片，设计小组在各个层次上都面临着各种约束。因此项目进展情况 的介绍，工程概括以及严格的期限总是存在的。 欢迎来到令人振奋的VLSI世界！ 1.3本书安排 本书分为3个主要部分。对于自学者来说，虽然初次阅读时不一定每部分都看，但最好还
8 超大规模集成电路与系统导论 是按顺序学习 第1部分为硅片逻辑，包括第1至第5章，内容为研究硅片逻辑电路的设计技术；主要集 中在介绍晶体管逻辑电路，以及如何将它们转化为在硅芯片上的图案：介绍CMOS工艺流程 的细节H把它们应用到实际芯片的设计中。在完成第1部分学习后，读者将能在电路及硅片 层次上设计出无数个CMOS逻辑门。 第2部分为逻辑与电路的相互关系，它覆盖VLSl的电子电路部分，包括第6至第9章。 其中第8章，第9章涵盖更深层的概念。该部分介绍晶体管的开关特性，并且用来分析数字电 子逻辑门。内容涉及许多细节，但主要集中于影响系统性能和开关速度的重要基础知识。在 完成这部分学习后，将能牢固理解逻辑设计与电气特性间的关系。 系统层次方面的问题放在第3部分，即VLSI系统设计，包括第10至第16章。该部分介 绍Verilog"HDL的基础，作为系统层次上建模的L具。第11至第13章研究许多VLSI逻辑 部件，如多路选择器、加法器及存储器等。第14和第15章介绍大规模芯片的设计问题。最后 一章介绍数字测试作为本书的结束。 作者在完成本书时侧重于解释细节，努力使材料具有可读性和条理性。这一点在第1部 分格外明显，读者在这里读到的许多内容一般不会在其他课程中找到。 所以，让我们不再迟缓，现在就开始进入这个超大规模集成电路的世界， 1.4参考资料 [1]Dan Clein,CMOS IC Layout,Newnes Publishing Co.,Boston,2000. [2]Randy H.Katz.Contemporary Logic Design,Benjamin-Cummings Publishing Co..Redwood City,CA,1994. [3]Ken Martin,Digital Integrated Circuit Design,Oxford University Press,New York,2000. [4]Jan Rabaey,Digital Integrated Circuits.Prentice-Hall,Upper Saddle River,NJ,1996. [8]Michael John Sebastian Smith,Application-Specific Integrated Cir- cuits,Addison-Wesley Longman Inc.,Reading.MA,1997. [6]John P.Uyemura.A First Course in Digital Systems Design Brooks-Cole Publishers,Pacific Grove,CA.2000. [7]John P.Uyemura.CMOS Logic Circuit Design,Kluwer Academic Press,Norwell,MA,1999. [8]John P.Uyemura.Physical Design of CMOS Integrated Circuits Using LEdit,PWS /Brooks-Cole Publishers.Pacific Grove,CA,1995 [M.Michael Vai,VLSI Design,CRC Press.Boca Raton,FL.2001. [10]Neil H.E.Weste and Kamran Eshraghian,Principles of CMOS VLSI Design,2nd ed.,Addison-Wesley Publishing Co.,Reading.MA,1993. [11]Wayne Wolf,Modern VLSI Design.2nd ed.,Prentice-Hall PTR, Upper Saddle River.NJ.1998