第一章概论 第一节引言 纵贯古今,在人类文明发展的历史长河中,科学技术在经济增长和社会进步中所起的 巨大作用已成为人类社会的共识。18世纪中叶的工业革命将人类历史从农业时代带到了工 业时代。近50年,由于电子工业的崛起,人类又开始向信息时代迈进。21世纪是信息化的 世纪,现代经济是信息经济。目前,信息产业已经成为现代社会文明与进步的标志,成为本 世纪以来发展得最迅速的产业,也成为衡量一个国家现代化水平的重要标准。人们的生产与 社会活动每时每刻都在产生、交换、处理和利用“信息”。社会的总需求正推动着信息系统 的集成与产业化。目前发达国家信息产业值已占国民经济总值的40%60%,而微电子工业 则是国民经济信息化的基石。微电子技术的发展给国民经济、社会进步和人民生活带来了划 时代的变革。集成电路则是微电子技术的核心,集成电路产业的发展规模和科学技术水平已 成为衡量一个国家综合国力的标志之一。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。因此,有 志自立于世界民族之林的国家都在倾力发展自己的集成电路产业,以期在21世纪的竞争中 争得有利的地位 信息系统的集成可分为三个层次:工程层次、电子系统层次和电路层次。工程层次,如 国家信息高速公路等牵动着各种电子系统的开发。电子系统层次既为大型信息工程提供设 备,又是电路制造商瞄准的主要市场。电路层次主要是微电子产品的开发。目前作为集成信 息网络主要支柱的通信设备与计算机几乎占有了微电子产品70%的市场份额。各种生产 交换、传输、存储、处理和显示信息的电子系统中使用了大量的电子产品,而信息产业化 趋势正推动着电子产品的专用集成和系统集成。 自从1958年集成电路诞生以来,经历了小规模(SSI)、中规模(MSⅠ)、大规模(LSⅠ) 的发展过程,目前已进入超大规模(ⅥLSⅠ)和甚大规模集成电路(ULSⅠ)阶段,是一个“系 统集成或片上系统( System On a Chip,简称SOC)”的时代。以目前最普遍的个人计算机处 理器为例,第一代16位的8086芯片中,共容纳了约28万个晶体管,到了32位以上的586 级计算机微处理器,如“奔腾”芯片内的晶体管数目则高达500万以上。目前商业化半导体 芯片的线宽为0.18-0.25μm,今后发展的趋势是0.13μm甚至0.1μm以下,即集成电路已进 入深亚微米工艺和超深亚微米工艺时代。集成电路技术迅速向着更高集成度、超小型化、高 性能、高可靠性的方向发展。一个芯片上将可集成高达几亿到几十亿个晶体管。过去的4 多年里集成电路的发展一直遵循着曾任美国 Intel公司董事长摩尔在1965年4月发表的摩尔 定律:即集成电路的集成度,每一年半增加一倍,预计今后15年内集成电路的发展仍服从 这一定律。 美国半导体工业协会(SIA)在1997年将产业界、政府和大学中的技术带头人召集在 一起制定了1997年美国半导体技术发展蓝图(NTRS),这次制定的发展蓝图与1992年 1994年版本考虑相同,以15年为限,这次的NTRS是600多位科学家和工程师两年辛勤工 作的成果。下面的表1是发展蓝图的部分指标 目前,市场的主流是256M和1G产品。而集成电路最小线宽批量生产的已达到018μ 研究成果已提高到0.13-0.1um的水平,实验室已达到0.07-0.1um水平,预计2003 年0.13μm/0.1um技术将在生产上广泛应用,到2010年将提高到0.1um-0.07μm的水平。 而晶片尺寸,目前硅生产线全面从200mm转向300mm技术,2005-2010年又将转向400m技 术
1 第一章 概 论 第一节 引 言 纵贯古今，在人类文明发展的历史长河中，科学技术在经济增长和社会进步中所起的 巨大作用已成为人类社会的共识。18 世纪中叶的工业革命将人类历史从农业时代带到了工 业时代。近 50 年，由于电子工业的崛起，人类又开始向信息时代迈进。21 世纪是信息化的 世纪，现代经济是信息经济。目前，信息产业已经成为现代社会文明与进步的标志，成为本 世纪以来发展得最迅速的产业，也成为衡量一个国家现代化水平的重要标准。人们的生产与 社会活动每时每刻都在产生、交换、处理和利用“信息”。社会的总需求正推动着信息系统 的集成与产业化。目前发达国家信息产业值已占国民经济总值的 40%~60%，而微电子工业 则是国民经济信息化的基石。微电子技术的发展给国民经济、社会进步和人民生活带来了划 时代的变革。集成电路则是微电子技术的核心，集成电路产业的发展规模和科学技术水平已 成为衡量一个国家综合国力的标志之一。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。因此，有 志自立于世界民族之林的国家都在倾力发展自己的集成电路产业，以期在 21 世纪的竟争中 争得有利的地位。 信息系统的集成可分为三个层次：工程层次、电子系统层次和电路层次。工程层次，如 国家信息高速公路等牵动着各种电子系统的开发。电子系统层次既为大型信息工程提供设 备，又是电路制造商瞄准的主要市场。电路层次主要是微电子产品的开发。目前作为集成信 息网络主要支柱的通信设备与计算机几乎占有了微电子产品 70%的市场份额。各种生产、 交换、传输、存储、处理和显示信息的电子系统中使用了大量的电子产品，而信息产业化的 趋势正推动着电子产品的专用集成和系统集成。 自从 1958 年集成电路诞生以来，经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI） 的发展过程，目前已进入超大规模（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）阶段，是一个“系 统集成或片上系统（System On a Chip，简称 SOC）”的时代。以目前最普遍的个人计算机处 理器为例，第一代 16 位的 8086 芯片中，共容纳了约 2.8 万个晶体管，到了 32 位以上的 586 级计算机微处理器，如“奔腾”芯片内的晶体管数目则高达 500 万以上。目前商业化半导体 芯片的线宽为 0.18~0.25μm，今后发展的趋势是 0.13μm 甚至 0.1μm 以下，即集成电路已进 入深亚微米工艺和超深亚微米工艺时代。集成电路技术迅速向着更高集成度、超小型化、高 性能、高可靠性的方向发展。一个芯片上将可集成高达几亿到几十亿个晶体管。过去的 40 多年里集成电路的发展一直遵循着曾任美国 Intel 公司董事长摩尔在 1965 年 4 月发表的摩尔 定律：即集成电路的集成度，每一年半增加一倍，预计今后 15 年内集成电路的发展仍服从 这一定律。 美国半导体工业协会（SIA）在 1997 年将产业界、政府和大学中的技术带头人召集在 一起制定了 1997 年美国半导体技术发展蓝图（NTRS），这次制定的发展蓝图与 1992 年、 1994 年版本考虑相同，以 15 年为限，这次的 NTRS 是 600 多位科学家和工程师两年辛勤工 作的成果。下面的表 1 是发展蓝图的部分指标。 目前，市场的主流是 256M 和 1G 产品。而集成电路最小线宽批量生产的已达到 0.18μ m，研究成果已提高到 0.13-0.1μm 的水平，实验室已达到 0.07-0.1μm 水平，预计 2003 年 0.13μm/0.1μm 技术将在生产上广泛应用，到 2010 年将提高到 0.1μm-0.07μm 的水平。 而晶片尺寸，目前硅生产线全面从 200mm 转向 300mm 技术，2005-2010 年又将转向 400mm 技 术
表1发展规划代次的指标 年代 1999 2003 2006 最小线宽 0.15 0.10 DRAM 每片晶体管数 II 21 200 520 芯片尺寸 (平方毫米) 300 340 385 430 520 620 750 1600 2000 (兆赫) 金属化层层数 最低供电电压1.82511.1.812-1.51215091206090.06 最大晶圆直径 目前,集成电路朝着两个方向发展:一是在发展微细加工技术的基础上,开发超高速、 超高集成度的电路。二是迅速、全面地利用己达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装 技术、和测试技术等发展各种专用集成电路(ASIC)。从另一个角度来说,进入90年代以 来,电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点:一是开发产品的复杂程度加深,另一个 是开发产品的上市时限紧迫。所谓开发产品的复杂性是指设计者往往要将更多的功能、更高 的性能和更丰富的技术含量集成于所开发的电子系统中。也就是系统集成( System On a Chip 或 Chip in System)。如图2所示即为一个 System On a Chip的例子,它将数字电路、模拟电 路、存储器、接口电路及输入输出设备全部集成在一个芯片上 System-on-a-Chip Hardware nterface Circuits Analog Circuits DSP Digital TxRX RAM MemoriesInput-Output Sensors FPGA ROM FLASH Software: Operating Systems Application Programs 图2 System on a Chip
2 表 1 发展规划代次的指标 年代 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 最小线宽 （μm） 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 DRAM 容量 256M 1G 未定 4G 16G 64G 256G 每片晶体管数 （M） 11 21 40 76 200 520 1400 芯片尺寸 （平方毫米） 300 340 385 430 520 620 720 频率 （兆赫） 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000 金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9 最低供电电压 （v） 1.8-2.5 11.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6 最大晶圆直径 （mm） 200 300 300 300 300 450 450 目前，集成电路朝着两个方向发展：一是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、 超高集成度的电路。二是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装 技术、和测试技术等发展各种专用集成电路（ASIC）。从另一个角度来说，进入 90 年代以 来，电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点：一是开发产品的复杂程度加深，另一个 是开发产品的上市时限紧迫。所谓开发产品的复杂性是指设计者往往要将更多的功能、更高 的性能和更丰富的技术含量集成于所开发的电子系统中。也就是系统集成（System On a Chip 或 Chip in System）。如图 2 所示即为一个 System On a Chip 的例子，它将数字电路、模拟电 路、存储器、接口电路及输入输出设备全部集成在一个芯片上。 图 2 System on a Chip
又例如,如图3所示是一种多媒体计算机工作站系统集成,它已经将 up core、 memory、 I/O、 MPEG core和生成MCU(微控制单元)的可编程部分集成在一个单元中 SDAM ROM interface MPEG core propritary logic 图3多媒体工作站系统集成芯片 所谓产品开发的时限是指在产品的市场寿命期间应让产品早日上市( time to marker) 从市场的角度希望产品开发者能预见到市场对产品的需求,开发应市的产品应该做到无延误 地投放市场 如图4中三角形面积是产品的市场效益,如果因某种因素引起开发的产品上市延误,延 误后的市场效益用带阴影的三角形面积表示,这两者之间的差即产品延迟投放市场的延误损 失。假若以两年为一个市场周期(上市与下市)则市场周期为2w,延误一个月的损失率为 24%,若因开发推迟了产品应市一年,则延误损失将是其收益的2倍,那麽这种产品开发的 价值就不大了。 市场增 市场衰减 及时投入市场 的年度曲线 延误 的年度曲线 时间 市场窗口 2W 图4市场窗口 此外,每种产品都有其市场寿命问题,即它会被新产品所代替而卖不出去。表2列出存 储器与CPU的市场寿命。每6年存储器集成度改善12倍,CPU提高8倍。随着信息集成 时代的到来,一种芯片的开发将集成一个电子系统。这会速市场竞争并迫使系统厂家更快地 将产品更新换代,进而他们加强将发明与专利向市场转化的力度与增加产品的技术含量 表2产品市场寿命 存储器 CPU 「年份「集成度/B年份产品字长b集成度只晶体管 1970 IK 1970 4044 1982 256K 1982 68000 6.8×104 1994 16M 1994 pentium 3.1×10 2000 256M 2000 p7 1.0×10
3 又例如，如图3所示是一种多媒体计算机工作站系统集成，它已经将up core 、memory、 I/O、MPEG core 和生成 MCU（微控制单元）的可编程部分集成在一个单元中。 up core SDAM ROM data cache serial interface MPEG core propritary logic 图 3 多媒体工作站系统集成芯片 所谓产品开发的时限是指在产品的市场寿命期间应让产品早日上市（time to marker)。 从市场的角度希望产品开发者能预见到市场对产品的需求，开发应市的产品应该做到无延误 地投放市场。 如图 4 中三角形面积是产品的市场效益，如果因某种因素引起开发的产品上市延误，延 误后的市场效益用带阴影的三角形面积表示，这两者之间的差即产品延迟投放市场的延误损 失。假若以两年为一个市场周期（上市与下市）则市场周期为 2w，延误一个月的损失率为 24%，若因开发推迟了产品应市一年，则延误损失将是其收益的 2 倍，那麽这种产品开发的 价值就不大了。 图 4 市场窗口 此外，每种产品都有其市场寿命问题，即它会被新产品所代替而卖不出去。表 2 列出存 储器与 CPU 的市场寿命。每 6 年存储器集成度改善 12 倍，CPU 提高 8 倍。随着信息集成 时代的到来，一种芯片的开发将集成一个电子系统。这会速市场竟争并迫使系统厂家更快地 将产品更新换代，进而他们加强将发明与专利向市场转化的力度与增加产品的技术含量。 表 2 产品市场寿命 存储器 CPU 年 份 集成度/B 年 份 产 品 字长/b 集成度/只晶体管 1970 1K 1970 4044 4 n×103 1982 256K 1982 68000 16 6.8×104 1994 16M 1994 pentium 32 3.1×106 2000 256M 2000 p7 64 1.0×107 延误投入市场 的年度曲线 W W 时间 市场窗口 2W 及时投入市场 的年度曲线 市场增长 市场衰减
我国由于基础工业比较落后,集成电路产生的自身基础亦比较薄弱,又受到国外设备上、 技术上的种种限制,其总体水平较国际先进水平相差较大。我国自1956年研制出第一个锗 晶体管,1965年制成了第一片集成电路至今,经过30多年的不懈努力,已具备了一定的生 产规模和发展基地。目前我国的半导体集成电路生产分为三大类: 第一类是企业:如上海华虹NEC( HHNEC)。第二类是科研:如清华大学微电子所、 中科院微电子研究中心。第三类是军工:西安71所、蚌埠214所。 从生产能力方面,我国93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。96年为7.09亿块,97年为9.4亿块。而 1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块。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15年。我们还缺少自主的知识产权和自己的产品品牌,高档产 品仍处于样品阶段。存在着体制与机制的不相适应,科研与生产脱节、生产与应用脱节等问 题。因此,我们必须抓住机遇,及时采取措施,摆脱集成电路产业的落后局面。 由于集成电路制造业的飞速发展,向集成电路设计提出了巨大的挑战。如果设计要适应 工艺的发展,就要有相应的增长速度。下面介绍集成电路设计的发展情况。 集成电路产业是以市场、设计、制造、应用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和 制造之间的桥梁,是集成电路产品开发的入口。成功的产品源于成功的设计,成功的设计取 决于优秀的设计工具。集成电路计算机辅助设计( IC CAD)的出现,使集成电路设计向着 更广(产品种类越来越多)、更快(设计周期越来越短)、更准(一次成功率越来越高)、更 精(设计尺寸越来越小)、更强(工艺适应性和设计自动化程度越来越强)的方向发展。方 兴未艾的各种设计公司,从垂直集成的产业架构中脱颖而出,呈现一派勃勃生机,并由此形 成了设计、制造相对独立、相互支撑的局面 IC CAD工具的第三代称为EDA( electronics design automation)系统或ESDA( electronics system design automation)系统。EDA是电子产品辅助设计的有力工具,也是不可缺少的 1995年世界电子信息类产品的市场额度达到8000亿美元,作为电子信息类产品的微电子产 品的市场份额为1600亿美元,而EDA产品的市场份额仅为16亿美元。它们产生了如图5 所示的倒三角分布。这种分布说明什麽?它表明仅占市场份额02%的EDA产品却支撑着 8000亿美元信息产业的电子设计与制造。可以说,尽管EDA的份额小,但它起着一种千斤 顶的支撑作用。 信息产业 800亿US$ 微电子产 1000亿US$ 300亿US ASIC产品 EDA产品 图5信息产业市场中的EDA 在集成电路产业发展初期,集成电路设计附属于半导体工业加工。集成电路设计的内容 包括电路模拟和版图的设计验证,使用的工具是 SPICE和第一代 IC CAD系统。第一代的
4 我国由于基础工业比较落后，集成电路产生的自身基础亦比较薄弱，又受到国外设备上、 技术上的种种限制，其总体水平较国际先进水平相差较大。我国自 1956 年研制出第一个锗 晶体管，1965 年制成了第一片集成电路至今，经过 30 多年的不懈努力，已具备了一定的生 产规模和发展基地。目前我国的半导体集成电路生产分为三大类： 第一类是企业：如上海华虹 NEC（HHNEC）。 第二类是科研：如清华大学微电子所、 中科院微电子研究中心。第三类是军工：西安 771 所、蚌埠 214 所。 从生产能力方面，我国 93 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。96 年为 7.09 亿块，97 年为 9.4 亿块。而 1996 年国内集成电路市场总用量为 67.8 亿块。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 15 年。我们还缺少自主的知识产权和自己的产品品牌，高档产 品仍处于样品阶段。存在着体制与机制的不相适应，科研与生产脱节、生产与应用脱节等问 题。因此，我们必须抓住机遇，及时采取措施，摆脱集成电路产业的落后局面。 由于集成电路制造业的飞速发展，向集成电路设计提出了巨大的挑战。如果设计要适应 工艺的发展，就要有相应的增长速度。下面介绍集成电路设计的发展情况。 集成电路产业是以市场、设计、制造、应用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和 制造之间的桥梁，是集成电路产品开发的入口。成功的产品源于成功的设计，成功的设计取 决于优秀的设计工具。集成电路计算机辅助设计（IC CAD）的出现，使集成电路设计向着 更广（产品种类越来越多）、更快（设计周期越来越短）、更准（一次成功率越来越高）、更 精（设计尺寸越来越小）、更强（工艺适应性和设计自动化程度越来越强）的方向发展。方 兴未艾的各种设计公司，从垂直集成的产业架构中脱颖而出，呈现一派勃勃生机，并由此形 成了设计、制造相对独立、相互支撑的局面。 IC CAD 工具的第三代称为 EDA（electronics design automation）系统或 ESDA（electronics system design automation）系统。EDA 是电子产品辅助设计的有力工具，也是不可缺少的。 1995 年世界电子信息类产品的市场额度达到 8000 亿美元，作为电子信息类产品的微电子产 品的市场份额为 1600 亿美元，而 EDA 产品的市场份额仅为 16 亿美元。它们产生了如图 5 所示的倒三角分布。这种分布说明什麽？它表明仅占市场份额 0.2%的 EDA 产品却支撑着 8000 亿美元信息产业的电子设计与制造。可以说，尽管 EDA 的份额小，但它起着一种千斤 顶的支撑作用。 图 5 信息产业市场中的 EDA 在集成电路产业发展初期，集成电路设计附属于半导体工业加工。集成电路设计的内容 包括电路模拟和版图的设计验证，使用的工具是 SPICE 和第一代 IC CAD 系统。第一代的 8000亿US$ 1000亿US$ 300亿US$ 16亿US$ 信息产业 微电子产 品 ASIC产品 EDA产品
IC CAD系统为C设计师提供方便的版图编辑、设计验证和数据转换等功能 70年代初期MOS工艺的发展迅速,一跃成为制做IC的主体工艺。1980年美国加州理 工学院的Mead& Conway出版了《 (Introduction toⅥ SI System》。这部著作对IC设计业的形 成和发展起过重要的作用,它不仅为大量培养IC设计人才提供了材料,也不仅提出了棍图 符号法等IC设计方法,更主要的是提出了以λ设计规则和 scaling规则为主要内容的lC设 计与工艺制作相对独立的思想。与此同时,70年代末,80年代初,美国国家安全局(NSA) 做了大量的工作对MOS工艺制定了统一的标准,这不仅为IC设计师提供了规范的设计规 则,更重要的是为独立于工艺加工而做IC设计提供了工艺支持。还是这一时期, IC CAD 技术进入了第二代,为设计师提供了方便的原理图编辑、仿真和物理版图的布图、验证功能。 第二代 IC CAD系统完全替代了第一代系统。第一代系统虽然已经退去,但它创立的GDS2 版图数据格式仍然为今人所采用。第二代 IC CAD工具和系统为IC设计与整机设计、IC设 计与工艺加工建立联系提供了手段和条件 到80年代中期,IC设计业已经形成。随着lC工艺加工精度的提高:3μm、2μm、 1.5μm、1.2μm、0.8μm…:硅片尺寸的加大:3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸… IC的工艺设备费变得十分昂贵,而且更新换代极快,这就进一步加快了IC工艺制作和IC 品种开发的分工。使得一批有资金、有经验的半导体工业加工公司集中力量建立高水平的工 艺设备,并饱满运行,达到投大资,赚大钱的目的。这样的工艺加工公司除了有自己固定的 通用IC,例如存储器,CPU等的生产任务外,更重视承担IC设计公司的加工任务,因为这 部分加工有更大营业收入。他们对IC设计公司实行类似于铸造车间- Foundry的加工 服务,称为Si- Foundry。同时,一批IC公司,他们没有雄厚的资金,但有设计开发能力 和市场开拓能力,他们便集中力量做好产品开发,以 Foundry为工艺依托,培育并占领一切 可以占领的市场。由于一个 Foundry的加工能力可以支持几十家,甚至更多的IC设计公司。 又因为相对 Foundry而言,设计公司的设备投资要小得多,所以这种“无工艺加工”的IC 设计业便迅速发展起来。1994年始见用“ Fabless”描述这种经营模式。另一种没有自己产 品的设计公司称为“ Design House”。 IC设计公司能否使有市场前景的产品占领市场,关键在于“时间”,是一个“快”字 为此,专家学者在ASIC设计方法学方面做了大量的研究,提出了许多高效的设计方法。其 中最令EC设计师向往的是硅编译( silicon compiler)。设计师写完电路描述,机器便自动 地完成全套设计,送去制版、流片。尽管这个全自动的设计过程到目前为止尚未实现,但它 给IC设计师、CAD工程师的启发是深刻的。 在诸多的设计方法中,门阵列( gate array)当居首位,在IC发展过程中,特别是对 ASIC的发展起到了重要作用,创出了“半定制”模式,一定意义上说 IC CAD是为门阵列才 开发第二代的系统。其后扩展到用于标准单元( standard-cell)和积木块( Building block Layout)的系统。电子整机厂家也因为有了门阵列才能直接介入ASIC的设计。虽然门阵列有 其固有的缺点,例如含有冗余单元,芯片利用率低等。但这样快的交货速度足以抵掉这些缺 点,因此门阵列至今保持活力。仍是IC设计公司用以占领市场的主要手段。门阵列自身也 在不断地改进,由阵列到门海( sea of gate-s0G)提高了布线的灵活性。近年来,又提出 了单元阵列( cell based array-CBA)的设计方法,吸收了标准单元的优点,提高了芯片利 用率 值得说明的一点是近几年出现的现场可编程门阵列(FPGA)是一种快速设计集成电路的 方法,它与门阵列有着本质的不同,它为系统设计师提供了几乎是零风险的硬件仿真手段。 门阵列在生产线上实现,FPGA在实验室里实现。但由于单件成本很高,FPGA一般只用作 小批量的产品原型,一旦发现市场前景,仍需走门阵列的路。 IC设计公司的赢利主要在两个阶段,第一阶段是抢占市场阶段。产品领先,可以取得
5 IC CAD 系统为 IC 设计师提供方便的版图编辑、设计验证和数据转换等功能。 70 年代初期 MOS 工艺的发展迅速，一跃成为制做 IC 的主体工艺。1980 年美国加州理 工学院的 Mead & Conway 出版了《Introduction to VLSI System》。这部著作对 IC 设计业的形 成和发展起过重要的作用，它不仅为大量培养 IC 设计人才提供了材料，也不仅提出了棍图、 符号法等 IC 设计方法，更主要的是提出了以λ设计规则和 scaling 规则为主要内容的 IC 设 计与工艺制作相对独立的思想。与此同时，70 年代末，80 年代初，美国国家安全局（NSA） 做了大量的工作对 MOS 工艺制定了统一的标准，这不仅为 IC 设计师提供了规范的设计规 则，更重要的是为独立于工艺加工而做 IC 设计提供了工艺支持。还是这一时期，IC CAD 技术进入了第二代，为设计师提供了方便的原理图编辑、仿真和物理版图的布图、验证功能。 第二代 IC CAD 系统完全替代了第一代系统。第一代系统虽然已经退去，但它创立的 GDS2 版图数据格式仍然为今人所采用。第二代 IC CAD 工具和系统为 IC 设计与整机设计、IC 设 计与工艺加工建立联系提供了手段和条件。 到 80 年代中期，IC 设计 业已经形成。随着 IC 工艺加工精度的提高： 3μm、2μm、 1.5μm、1.2μm、0.8μm……；硅片尺寸的加大：3 英寸、4 英寸、5 英寸、6 英寸、8 英寸……。 IC 的工艺设备费变得十分昂贵，而且更新换代极快，这就进一步加快了 IC 工艺制作和 IC 品种开发的分工。使得一批有资金、有经验的半导体工业加工公司集中力量建立高水平的工 艺设备，并饱满运行，达到投大资，赚大钱的目的。这样的工艺加工公司除了有自己固定的 通用 IC，例如存储器，CPU 等的生产任务外，更重视承担 IC 设计公司的加工任务，因为这 一部分加工有更大营业收入。他们对 IC 设计公司实行类似于铸造车间――Foundry 的加工 服务，称为 Si—Foundry。同时，一批 IC 公司，他们没有雄厚的资金，但有设计开发能力 和市场开拓能力，他们便集中力量做好产品开发，以 Foundry 为工艺依托，培育并占领一切 可以占领的市场。由于一个 Foundry 的加工能力可以支持几十家，甚至更多的 IC 设计公司。 又因为相对 Foundry 而言，设计公司的设备投资要小得多，所以这种“无工艺加工”的 IC 设计业便迅速发展起来。1994 年始见用“Fabless”描述这种经营模式。另一种没有自己产 品的设计公司称为“Design House”。 IC 设计公司能否使有市场前景的产品占领市场，关键在于“时间”，是一个“快”字。 为此，专家学者在 ASIC 设计方法学方面做了大量的研究，提出了许多高效的设计方法。其 中最令 IC 设计师向往的是硅编译（silicon compiler）。设计师写完电路描述，机器便自动 地完成全套设计，送去制版、流片。尽管这个全自动的设计过程到目前为止尚未实现，但它 给 IC 设计师、CAD 工程师的启发是深刻的。 在诸多的设计方法中，门阵列（gate array）当居首位，在 IC 发展过程中，特别是对 ASIC 的发展起到了重要作用，创出了“半定制”模式，一定意义上说 IC CAD 是为门阵列才 开发第二代的系统。其后扩展到用于标准单元(standard—cell)和积木块(Building Block Layout)的系统。电子整机厂家也因为有了门阵列才能直接介入 ASIC 的设计。虽然门阵列有 其固有的缺点，例如含有冗余单元，芯片利用率低等。但这样快的交货速度足以抵掉这些缺 点，因此门阵列至今保持活力。仍是 IC 设计公司用以占领市场的主要手段。门阵列自身也 在不断地改进，由阵列到门海（sea of gate—SOG）提高了布线的灵活性。近年来，又提出 了单元阵列(cell based array—CBA)的设计方法，吸收了标准单元的优点，提高了芯片利 用率。 值得说明的一点是近几年出现的现场可编程门阵列(FPGA)是一种快速设计集成电路的 方法，它与门阵列有着本质的不同，它为系统设计师提供了几乎是零风险的硬件仿真手段。 门阵列在生产线上实现，FPGA 在实验室里实现。但由于单件成本很高，FPGA 一般只用作 小批量的产品原型，一旦发现市场前景，仍需走门阵列的路。 IC 设计公司的赢利主要在两个阶段，第一阶段是抢占市场阶段。产品领先，可以取得