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1、2019/1/30,1,半导体 集成电路,2019/1/30,2,第0章:绪 论,集成电路的基本概念,?,?,?,?,过去、现状、发展,国内相关产业发展现状,课程内容,考核方法,2019/1/30,3,提纲,集成电路的概念 集成电路的过去,现在和未来 我国集成电路产业现状 本课程主要内容 教材及主要参考资料 课程要求及考核方法,2019/1/30,4,提纲-1,集成电路的概念 1.什么是集成电路? 2.相关基本概念 3.集成电路的分类,2019/1/30,5,什么是集成电路?,是不是集成电路?,2019/1/30,6,将电子元器件按照一定的要求连接起来,完成一定的功能,集成电路的定义,将所有元
2、器件和连线做在同一个基板上,组成系统,电路,集成,2019/1/30,7,集成电路微电子技术的核心,Integrated Circuit,缩写 IC 通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互连,“集成”在一块半导体单晶片(如硅或砷化镓)上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能,2019/1/30,8,日常生活中的集成电路,无处不在,彻底渗入并改变了人类生活,2019/1/30,9,相关基本概念,形状:一般为正方形或矩形,面积: 几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增大、封装困难、成品率下降,成本提高,可通过增大硅园片直径来弥补。,晶
3、圆尺寸 (Wafer Size),芯片尺寸 (Die Size),6英寸、8英寸、12英寸,几平方毫米到几百平方毫米,2019/1/30,10,集成度、规模:每块芯片包含的晶体管数目或等效逻辑门(2输入的NAND)的数量1个2输入的NAND=4个晶体管,2019/1/30,11,特征尺寸 集成电路器件中最细线条的宽度,对MOS器件常指栅极所决定的沟道几何长度,是一条工艺线中能加工的最小尺寸。 反映了集成电路版图图形的精细程度,特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进(光刻最小特征尺寸与曝光所用波长)。,2019/1/30,12,按电路规模分类 按导电载流子类型分类 按电路处理信号方式分类 按实现
4、方法分类 按电路功能分类 按设计方法分类,集成电路的分类,2019/1/30,13,小规模集成电路 (Small Scale IC,SSI) 中规模集成电路 (Medium Scale IC,MSI) 大规模集成电路 (Large Scale IC,LSI) 超大规模集成电路 (Very Large Scale IC,VLSI) 特大规模集成电路 (Ultra Large Scale IC,ULSI) 巨大规模集成电路 (Gigantic Scale IC,GSI),集成电路的分类-1,按电路规模分类,2019/1/30,14,划分集成电路规模的标准,数字集成电路,类,别,MOS IC,双极,
5、IC,模拟集成电路,SSI,10,2,100,30,MSI,10,2,10,3,100,500,30,100,LSI,10,3,10,5,500,2000,100,300,VLSI,10,5,10,7,2000,300,ULSI,10,7,10,9,GSI,10,9,2019/1/30,15,集成电路的分类-2,按导电载流子类型分类(实现工艺),Bi-CMOS,2019/1/30,16,集成电路的分类-3,按电路处理信号方式分类,数模混合 集成电路,2019/1/30,17,按实现方法分类,集成电路的分类-4,2019/1/30,18,按电路功能分类,集成电路的分类-5,2019/1/30,1
6、9,ASIC (Application Specific Integrated Circuits) ASSP (Application-Specific Standard Products),2019/1/30,20,集成电路的分类-6,按设计方法分类,全定制(Full Custom)IC: 硅片没有经过加工,其各掩膜层都要按特定电路的要求进行专门设计 半定制(Semi-Custom)IC: 全部逻辑单元是预先设计好的,可以从单元库中调用所需单元来掩膜图形(标准单元方法和门阵列),可使用相应的EDA软件,自动布局布线。 可编程(Programmable)IC:全部逻辑单元都已预先制成,不需要任
7、何掩膜,利用开发工具对器件进行编程,以实现特定的逻辑功能.分为可编程逻辑器件和现场可编程逻辑器件,2019/1/30,21,2019/1/30,22,中国半导体行业协会秘书长徐小田,集成电路是当今世界高科技电子产品的心脏和灵魂,是国民经济信息化的重要支柱,也是国民经济自主健康发展的战略性产业和基础性产业,不可能拥有现在的E生活,2019/1/30,23,提纲-2,二.集成电路的过去、现在与未来,2019/1/30,24,ENIAC - The first electronic computer (1946),Moore School,Univ. of Pennsylvania 18,000 T
8、ransistors,Size:24m6m2.5m Speed:5000times/sec; Weight:30T; Power:140KW; Average run time:7min,2019/1/30,25,2019/1/30,26,世界上第1台计算机,大小:长24m,宽6m,高2.5m 速度:5000次/sec;重量:30吨; 功率:25KW;平均无故障运行时间:7min,这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭?当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前,全世界计算机不包括微机在内有几百万台,微机总量约6亿台,每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量,2019/1/
9、30,27,1946年1月,Bell实验室正式成立半导体研究小组, W. Schokley,J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面态理论, Schokley给出了实现放大器的基本设想,Brattain设计了实验 1947年12月23日,第一次观测到了具有放大作用的晶体管,2019/1/30,28,The Transistor Revolution (1948),First transistor Bell Labs,2019/1/30,29,J.Bardeen W.Schokley W.H.Brattain,1956年度的诺贝尔物理学奖,2019/1/30,
10、30,The First Integrated Circuits (1958),J. S. Kilby,杰克基尔比,2000年度的诺贝尔物理学奖,2019/1/30,31,The First,Bipolar logic 1960s,2019/1/30,32,Intel 4004 Microprocessor,introduced in 1971 108KHz clock rate 10 micron 2300 transistors,2019/1/30,33,1979年3月 16 Bit 29000晶体管 5到8MHz 1.5um,1985年10月 32 Bit 275000晶体管 16到32
11、 MHz 1um,8088,Intel 386,2019/1/30,34,1989年4月 32 Bit 1,200,000晶体管 25到50 MHz 1-0.8um,Intel 486,1993年3月 32 Bit 3,100,000晶体管 60到166 MHz 0.8um,Pentium,2019/1/30,35,Intel Pentium (IV) Microprocessor,P6 (Pentium Pro) in 1996 150 to 200 MHz clock rate 196 mm*2 5.5M transistors (external cache) 0.35 micron 4
12、 layers metal 3.3volt VDD 20W typical power dissipation 387 pins,2019/1/30,36,集成电路的作用,小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低,2019/1/30,37,集成电路发展的规律,1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了“随着芯片上电路的复杂度提高,元件数目必将增加,每个元件的成本将每年下降一半”,这个被称为“摩尔定律”的预言成为了以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。,2019/1/30,38,集成电路技术是近50年来发展最快的技术,按此比率下降,小汽车价格不到1美分,微电子技术的进步,2019/1/30,
13、39,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技术现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze 非挥发存储器 1968年Dennard单晶体管DRAM 1971年Intel公司微处理器计算机的心脏 目前全世界微机总量约6亿台,在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为:微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新,2019/1/30,40,摩尔定律开始受到挑战、技术在未来10-15年仍可保持线性发展,90nm技术、300mm硅片、铜互连工艺、SOC成为四大热点,2019
14、/1/30,41,提纲-3,三.集成电路在我国的现状,2019/1/30,42,集成电路技术在我国的现状,中国集成电路生产量的推移,历史悠久,1950,较长的低迷期,19501978,缓慢增长,19781992,急速增长,1992,2019/1/30,43,中国和世界半导体产品结构,民用比率34!,真正开始了生产!,2019/1/30,44,中国半导体产业现状,1。九十年代的状况,1990年代中期 技术落后23代!,产量超过1000万个的公司只有5家!,90年代的芯片加工,国有企业:华晶电子(无锡市),外资企业: 贝尔微电子(上海市) 首钢日电电子(北京市) 上海菲利普(上海市) 上海华虹NE
15、C(上海市),集成度256K,线宽微米 6英寸硅片技术,2019/1/30,45,1995年2001年,中国半导体产业现状,2019/1/30,46,中国半导体产业现状,世界IT的不景气与中国半导体产业,中国IC市场的変化,1995年2001年,20001年,在全球IT不景气的情况下,中国电子信息产品的市场规模总额比2000年增长了30!,20001中国IC市场销售额为104.6亿美元,与2000年相比看起来只是5.5%的小幅增长,但是,从中国以外的市场为负20的增长来看,可以说中国维持了相对的高增长!,2019/1/30,47,中国半导体产业现状,2000年以後,2000-2005年中国集成
16、电路生产销售状况,2019/1/30,48,2000年以後,2000-2005年中国集成电路出口情况,2000-2005年中国集成电路进口情况,中国半导体产业现状,2019/1/30,49,2000年以後,2005年中国IC市场一跃为世界第一!,中国半导体产业现状,2019/1/30,50,中国IC产业结构,到200年年底,将近770 个公司,设计00多家,其他110家,IC制造约50家,封装测试110家,2019/1/30,51,中国IC产业结构,2019/1/30,52,2005中国IC设计、制造、封装业比例,2019/1/30,53,XIAN UNIVERSITY OF TECHNOLO
17、GY,中国IC产业结构,IC设计,IC制造,IC封装测试,消費類,珠海炬力杭州仕兰微北京希格玛晶 华微深圳国微(VCD,MCU,Audio IC),其他类 杭州有旺、绍兴芯谷、无锡友达、无锡矽科动力(电源IC、功率放大器),大陆 南通富士通、(DIP/TSOP/QFP/SiP)、长电科技(DIP/SO/QFP)天水华天(BGA/FC/MCM)上海纪元,无锡华润矽科(数字音视频IC、通讯IC)北京海尔设计(数字电视、卫星接受IC)北京华虹设计(数字电视、数字投影议、手机IC),网通类 深圳中兴微(移动通讯芯片)、晨讯(3G芯片),大唐微电子 (智能卡、WLAN),IC卡类 北京中电华大北京清华同
18、方(二代身份证芯片)上海华虹、上海复旦(智能卡),电脑类 北京中星微(手机芯片)、PC摄影类芯片),IDM厂 无锡华润微、上海贝岭、华越微电子,代工厂 中芯、上海华虹NEC、和舰、上海先进、上海宏力、华润上华、上海新进,首钢日电,台湾 日月光、矽品,外资 Freescale、威讯联合、ST、Intel、infineen、Reneses、Samsung、Amkor,2019/1/30,54,连云港 Lianyungang,上海 Shanghai,以上海为中心的长江三角洲,北京 Beijing,香港 Hong Kong,北京、天津 环渤海地区,広州 Guang Zhou,以广州为中心的珠江三角洲,
19、乌鲁木齐 Urumchi,成都 Chengdu,重庆 Chongqing,西安 Xian,中国西部,西部地区,2019/1/30,55,2019/1/30,56,现有IC生产线,国内现有,8英寸生产线10条,6英寸生产线12条,12英寸芯片生产线2条,5英寸生产线9条,4英寸生产线14条,共计47条,2019/1/30,57,中国集成电路产业发展特征,产业规模 增大,设计和芯片制造的比列增大,电路设计业 发展迅猛,2019/1/30,58,中国集成电路产业存在的问题,产业规模依然偏小、市场份额偏低 依然存在巨大的需求与供给能力失配 自主创新能力不足 集成电路的支撑产业滞后,如:设备、材料等 人
20、才缺乏,2019/1/30,59,2019/1/30,60,2003年6月科技部七個国家集積回路産業化基地設置,北京、上海、杭州、无锡、西安、成都、深圳,2019/1/30,61,2019/1/30,62,2003年10月,教育部、科技部联合批准了9所高校为 首批国家集成电路人才培养的建设单位,清华大学、北京大学、浙江大学、复旦大学、西安电子科技大学、上海交通大学、东南大学、电子科技大学、华中科技大学,2019/1/30,63,集成电路人才在我国的现状,集成电路人才缺口巨大 如果集成电路设计业市场每年以平均60以上的速度增长, 到2010年将达到约1000亿元人民币产值,届时将需要集成电路设计
21、师510万人,而目前我国仅有集成电路设计人员约10000人,人才严重不足成为我国集成电路设计业的最大瓶颈。集成电路制造业人才缺乏同样十分紧迫。,2019/1/30,64,集成电路人才在我国的现状,我国集成电路设计人才培养规模严重不足 据统计,2004年我国本科微电子学专业有31个专业点,2003年毕业本科生459人,招生1431人,在校生3899人;全国有4000多名集成电路工学/理学硕士在校生。总共有集成电路设计和微电子专业在校生7900多人,远远不能满足发展的需求。培养高级集成电路人才已是我国高等教育界的当务之急。 但是,如果把与微电子相关的专业计算在内:如电子信息科学与技术、电子科学与技
22、术、电子信息工程、光信息科学与技术、固体物理与半导体技术、计算机科学与技术、信息安全、通讯工程、电气工程及其自动化、自动化等,则2003年有1970个本科专业点,毕业本科生14万人,招生24万人,在校生94万人。他们再经过一定时间的学习和培训,是可以从事集成电路设计工作的。,2019/1/30,65,半导体集成电路的基本概念 双极型集成电路(基本工艺、基本电路单元、版图设计) CMOS集成电路(基本工艺、基本电路单元、版图设计、存储器) 模拟集成电路(运算放大器、D/A,A/D转换),课程内容,2019/1/30,66,教 材:半导体集成电路 朱正涌 编著 清华大学出版社 参考书: 数字集成电
23、路电路、系统与设计 电子工业出版社 学 时:理论课 64学时 成 绩:考试 70% 平时+作业 30%,课程要求,2019/1/30,67,教 材:半导体集成电路 朱正涌 编著 清华大学出版社 参考书: 微电子学概论 张 兴 黄 如 编著 北京大学出版社 Verilog 数字系统设计教程 夏宇闻 编著 北京航空航天大学出版社 学 时:理论课 63学时 成 绩:考试 80% 平时+作业 20%,课程要求,2019/1/30,68,一步一步 踏踏实实 走出自己的 -成功之路,“芯”途漫漫,2019/1/30,69,作业,1 简述什么是集成电路? 2 集成电路是如何分类的? 3 名词解释: 集成度,特征尺寸、晶圆尺寸(Wafer size) 芯片尺寸(Die size)、 摩尔定律、ASIC、 LSI。 思考题:我国未来集成电路产业发展模式思考 内容提纲: 集成电路产业发展趋势 我国集成电路的发展状况 我国集成电路发展面临的机遇与展望,
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