专用集成电路概念及设计流程微电子与光电子研究所

第二讲 专用集成电路概念及设计流程微电子与光电子研究所韩雁 2014年3月

专用集成电路(ASIC)概念 • 通用集成电路（IC）: • 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

分为四大类： 2011-2013年全球半导体产品销售比例半导体产业的主要产品分类集成电路、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浙大微电子

目录一、通用集成电路及产品形态二、专用集成电路及产品形态三、ASIC设计流程与工具四、ASIC设计关键参数五、ASIC开发成本浙大微电子

一、通用集成电路及产品形态 • 微器件（Micro Device） • 存储器（Memory） • 逻辑电路（Logic） • 模拟电路（Analog）浙大微电子

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）浙大微电子

1.1 微处理器（MPU/CPU） 1.1.1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。 1.1.2嵌入式型微处理器 • 在通用型CPU的基础之上，只保留与具体应用相关的功能，去除冗余的功能。浙大微电子

1.1.1 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20 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。浙大微电子

1.1.2 嵌入式型 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。浙大微电子

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）浙大微电子

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、传感器等外围设备进行控制。 • 市场的产品生命周期长（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。浙大微电子

4、8、16、32位元 MCU市场出货量 数据来源：In-Stat 浙大微电子

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）浙大微电子

1.3 数字信号处理器（DSP） • 与微处理器分类一样，DSP也分为 • 通用DSP • 嵌入式DSP • 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。浙大微电子

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）浙大微电子

2. 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 • 是一种通用电子产品，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。浙大微电子

2.1 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％。浙大微电子

2.2 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 浙大微电子

3. 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。浙大微电子

4. 模拟电路 模拟电路是指处理连续性的光、声音、温度、速度等自然界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）浙大微电子

模拟IC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强调性能与FOM，如高信噪比、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(数字IC为CMOS） • 模拟电路市场增长稳定，波动小，企业一般拥有持续获利的状态。 • TI、ST、NXP、Infineon和 ADI 一直占据着全球五大供应商位置。浙大微电子

二、专用集成电路及产品形态 • 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 • 功能增加 • 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 • SiP (System in a package) 概念的提出浙大微电子

应用处理器芯片 基带处理芯片射频芯片内存芯片音频芯片传感器芯片电源管理芯片等浙大微电子

三、ASIC设计流程与工具 • 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) 浙大微电子

特殊器件的设计流程 浙大微电子

常用的TCAD软件工具 浙大微电子

模拟IC设计流程 浙大微电子

模拟集成电路设计常用工具 浙大微电子

数字IC设计流程 前端设计浙大微电子

后端设计 浙大微电子

数字集成电路设计常用工具 浙大微电子

四、ASIC设计关键参数 • 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 • 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、封装类型及成本浙大微电子

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) 五、ASIC开发成本浙大微电子

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。浙大微电子

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也会有所提高浙大微电子

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。 浙大微电子

封装测试成本： DIP14 0.16元/颗 SOP14 0.20元/颗 SOT6 0.17元/颗 ATE封装试样费数千元/项目 ATE测试程序开发费数千元/项目 Automatic Test Equipment （型号:93K）封装测试成本浙大微电子

ASIC其他费用 (会逐年下降) • 光罩（掩膜板）费用 • 0.5umCMOS工艺1万元/块，一套板14-15块 • 最小流片量 • 0.5um 6寸线： 25 wafer/批，0.36万元/wafer，流片最低价格0.36*25=9万元浙大微电子

MPW（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 • 65nm, 5*5 = 25 mm2 , • 8万美元 • 切割（Sawing） • 400元人民币 / 刀（预留线宽100um）浙大微电子

Thanks 浙大微电子

专用集成电路概念及设计流程 微电子与光电子研究所