圖解半導(dǎo)體制程概論（2）

邏輯IC

電子機(jī)器的動(dòng)作所必需的內(nèi)部信號(hào)處理大致可以分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理。處理前者的是模擬用半導(dǎo)體器件，處理后者的數(shù)字信號(hào)處理的就是邏輯IC，邏輯IC中也有很多種類。

IC、LSI在制造程序上大致分為雙極系列和MOS系列，還可以再分為混合兩者的BiCMOS等復(fù)合型。

邏輯IC是執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理的IC、LSI，雙極系列（也就是雙極邏輯）現(xiàn)在只有TTL和ECL，因此提及邏輯IC時(shí)，一般可以視為指CMOS邏輯系列以及BiCMOS系列。

而且，邏輯IC也可分為（1）通用邏輯、通用MPU之類的標(biāo)準(zhǔn)品；（2）ASIC（特殊用途用IC）；（3）配合本公司規(guī)格開發(fā)的定制LSI專用產(chǎn)品這幾類。

ASIC可以分成ASCP（顧客專用品）和ASSP（待業(yè)專用品），ASCP還能進(jìn)一步細(xì)分成門陣列（GA）、可現(xiàn)場編程式門陣列（FPGA）、標(biāo)準(zhǔn)單元（SC）、嵌入式單元陣列（ECA）等。但是，即使是完全的定制IC，但通訊用或數(shù)碼家電、車載系統(tǒng)中基本使用的電路及構(gòu)件等都是相同的，開發(fā)上的平臺(tái)大都由半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家準(zhǔn)備。通過以平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以縮短開發(fā)時(shí)間。像這樣定制IC和ASIC的界限沒有明確區(qū)分，有時(shí)也將定制IC作為通用產(chǎn)品進(jìn)行銷售，由此可見，目前情況下這樣的分類是非常困難的。

邏輯IC中有被稱為MPR（microperipheral:微控制器周邊設(shè)備）的器件。這是和于硬盤、圖像處理、打印機(jī)等，主要用于計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備的專用LSI。各機(jī)器生產(chǎn)廠家大都采用ASIC的方法進(jìn)行開發(fā)，和上述一樣很難做出明確的分類。

邏輯IC可以分為制造工藝、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等3種，因此分類越來越困難。

邏輯IC、LSI的分類

О雙極邏輯IC、LSI

TTL（Transistor Transistor Logic）

目前，只有部分生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)，市場也在不斷縮小。

ECL(Emitter Coupled Logic)

通過把NPN雙極晶體管放在非飽和區(qū)域使用，并縮小理論振幅來獲得高速特性，可用于要求高速性的IC測試器、通訊用等。

О代表性的CMOS邏輯IC/LSI

通用CMOS邏輯

MPU（Micro Processing Unit）

MCU(Micro Controller Unit)

DSP(Digital Signal Processor)

MPR(Micro Peripherals)

ASIC(Application Specific IC)

GA(Gate Array)

SC(Standard Cell)

DSP的例子

面向各種用途的邏輯IC

CMOS和反相電路

CMOS電路是由P通道能及N通道雙方的MOS晶體管構(gòu)成的電路。由于具有消耗電流少、高速化方便、抗雜音能力強(qiáng)、輸入輸出全擺式等特點(diǎn)，因此現(xiàn)在幾乎所有的LSI都是在這種技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的。

CMOS技術(shù)

CMOS的結(jié)構(gòu)是在N型基板中形成P通道的晶體管，在N型基板中做成較大的低濃度P型區(qū)域（叫娓娓動(dòng)聽 P井），在P井中形成N通道晶體管。還有與基相反，使用P型基板做成N井的。

反相器

是邏輯IC/LSI的基本電路。如圖所示，舉例說明N型或P型晶體管（TN、TP）串聯(lián)形成的反相電路。門極G上輸入 “1”信號(hào)（SP電位）的話，TN將為ON，而TP則成為OFF。相反，輸入“0”信號(hào)（SN電位）的話，TN為OFF，而TP則成為ON。對(duì)于任何輸入，總有一個(gè)對(duì)應(yīng)的晶體管是OFF狀態(tài)，且由SP到SN的電流不會(huì)流通，因此消耗電流將減少（PMOS、NMOS的1/100-1/1000）。ONOFF切換時(shí)因寄生電容會(huì)充放電，因此隨著工作頻率增加，耗電量將增大。

優(yōu)點(diǎn)

·非常少的耗電量

·快速的動(dòng)作速度

·抗雜音較強(qiáng)

·和TTL可兼弱容性

·以低電壓動(dòng)作簡單

缺點(diǎn)

·制作和序復(fù)雜且耗時(shí)長

用途

·標(biāo)準(zhǔn)邏輯（相當(dāng)于ＴＴＬ邏輯）

·幾乎所有的數(shù)字ＬＳＩ（ＭＰＵ＼ＭＣＵ）＼ＤＳＰ＼圖象處理ＬＳＩ＼語音處理）

·電子計(jì)算器＼鐘表＼游戲機(jī)

·掌上電腦

·電話機(jī)

·存儲(chǔ)器（ＲＡＭ＼ＲＯＭ）

·其他＼客戶規(guī)格邏輯電路等

CMOS反相器的圖形記號(hào)和動(dòng)作

?

通用邏輯（CMOS）

指將構(gòu)成數(shù)字電路的閘、緩沖器、正反器等最基本的功能予以獨(dú)立的IC產(chǎn)品群。而且，功能、引腳配置、電氣特性等都是全球性標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品群。在制程上還有CMOS、BiCMOS、雙極等。

通用邏輯的主要功能

·邏輯運(yùn)算功能（閘電路）圖1

·開關(guān)功能

·數(shù)據(jù)的保持功能 圖2

·總線驅(qū)動(dòng)器（緩沖器）功能 圖3

·計(jì)數(shù)器/除頻功能

·電平移動(dòng)功能

品名和標(biāo)準(zhǔn)化

附加74XXX的品名的標(biāo)準(zhǔn)邏輯作為74規(guī)格，其功能、引腳配置都加以標(biāo)準(zhǔn)化。如果品名（上述XXX的部分）相同，則功能、引腳配置無論哪個(gè)生產(chǎn)廠商、哪個(gè)系列都相同。系列名不同，數(shù)據(jù)處理速度、驅(qū)動(dòng)能力等性能將不同，相反，如果系列名相同，則無論哪個(gè)生產(chǎn)廠商的性能大致相同。各系列中有數(shù)十品種到百數(shù)十品種的產(chǎn)品（功能）。

*通用邏輯最早以使用雙極系列邏輯為主，現(xiàn)在能方便地實(shí)現(xiàn)低耗電量/低電源電壓的CMOS邏輯已成為主流。而且，雙極系列中，ECL也用于超高速應(yīng)用領(lǐng)域（高速測試器等）。

圖1 閘IC例/74VHC04

圖2 正反器IC例/74VHC74

圖3 緩沖器IC例/74VHC244

品名的辨認(rèn)證

通用邏輯的種類

微處理器

微處理器（micro-computer,簡稱micon）,作為計(jì)算機(jī)，通過LSI實(shí)現(xiàn)必要功能的小型計(jì)算機(jī)。從身邊的家電產(chǎn)品到計(jì)算機(jī)及小型控制機(jī)器，被廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)中。

策處理器由進(jìn)行運(yùn)算、控制的CPU（中央運(yùn)算處理裝置）、進(jìn)行記憶的存儲(chǔ)器、進(jìn)行和外部輸入、輸出的I/O的三部分構(gòu)成。它們之間的信息交換，通過以下三務(wù)總線進(jìn)行。

（1）?????? 地址總線：用于指定存儲(chǔ)器及I/O地址的信號(hào)線；

（2）?????? 數(shù)據(jù)總線：用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降刂房偩€指定的存儲(chǔ)器及I/O的信號(hào)線；

（3）?????? 控制總線：用于指示是否讀取或?qū)懭氪鎯?chǔ)器及I/O、或其他從CPU進(jìn)行各種控制的信號(hào)線。

大規(guī)模系統(tǒng)中，將各種結(jié)構(gòu)要素加以集成化后的LSI進(jìn)行組合，小規(guī)模系統(tǒng)中，使用將這些集成到一塊芯片上的LSI。

CPU和各種總線連接圖

CISC和RISC

計(jì)算機(jī)心臟部分——CPU大致分為兩類。一類是具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且高度功能的命令，旨在提高性能的CISC。還有一類是將命令設(shè)置單純化，旨在提高命令執(zhí)行速度的RISC。

CISC方式

減少一個(gè)處理所需的命令數(shù)，旨在提高性能。通過1個(gè)命令就可以執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作，因此叫做CISC（Complexed Instruction Set Computer：復(fù)雜命令集計(jì)算機(jī)）方式 。相反，命令長度可變，且比較復(fù)雜，因此解讀需要一定的時(shí)間，用于執(zhí)行的內(nèi)部電路變得復(fù)雜，硬件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)增加。

RISC方式

只具有少數(shù)的單純性命令，旨在加快執(zhí)行速度。命令長度固定，因此解碼器電路及執(zhí)行電路的規(guī)模較小。命令只有最基本的，因此叫做RISC（Reduced Instruction Set Computer：縮小命令集計(jì)算機(jī)）方式。命令數(shù)量少，因此需要軟件的負(fù)擔(dān)增加，但通過使用C語言等高級(jí)語言，可以提高開發(fā)效率。

CISC和RISO的特征

微處理器（MPU）

MPU是意氣風(fēng)發(fā)計(jì)算機(jī)所需的運(yùn)算、控制功能集成到一塊芯片上的LSI。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，以往將多個(gè)IC進(jìn)行組合后構(gòu)成CPU的器件現(xiàn)在可以用一個(gè)MPU加以實(shí)現(xiàn)。

何謂MPU

我們將構(gòu)成微處理器要素中的運(yùn)算部分和控制部分合在一起的心臟部分叫做CPU，將這個(gè)CPU通過1個(gè)LSI加以實(shí)現(xiàn)的器件就是MPU（微處理器）。MPU不能單獨(dú)作為計(jì)算機(jī)動(dòng)作，因此將存儲(chǔ)器及I/O進(jìn)行組合后構(gòu)成計(jì)算機(jī)。

MPU的基本動(dòng)作

目前的大部分計(jì)算機(jī)都是從存儲(chǔ)器讀取命令、一個(gè)個(gè)逐步執(zhí)行的被叫做諾依曼型的器件。MPU讀取寫在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，解讀寫在程序內(nèi)的命令，按照指示，執(zhí)行將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)取出等作業(yè)。

微處理器的功作單元例

微型周邊設(shè)備（MPR）

所謂微型周邊設(shè)備（周邊LSI），是指存在于MPU和輸入輸出設(shè)備之間接口的LSI。主要分為支持MPU的LSI和控制周邊設(shè)備以及傳輸數(shù)據(jù)的LSI，根據(jù)不同用途，有各種種類。

MPR用于減輕對(duì)MPU的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)微控制器系統(tǒng)的性能。因?yàn)橥ㄟ^專用LSI控制周邊設(shè)備，因此也可以減輕軟件的負(fù)擔(dān)。MPR不斷在必須采取圖形用及MPEG等圖像處理、聲音識(shí)別等高速處理的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

MPU支持用MPR

存儲(chǔ)器管理單元（Memory Management Unit：MMU）

采用大量且多種存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，管理存儲(chǔ)器變得復(fù)雜，因此要使用MMU，減輕MPU的負(fù)擔(dān)。

可編程中斷控制(Programmable Interrupt Control：PIC)

在需要多個(gè)中斷輸入的系統(tǒng)中，通過PIC擴(kuò)大中斷處理的功能。在連接很多周邊設(shè)備等情況時(shí)，發(fā)揮整理交通的作用。

直接存儲(chǔ)器存取控制器（Direct Memory Access Controller:DMAC）

通過使用DMAC，可以在不通過MPU的情況下，直接在周邊設(shè)備及存儲(chǔ)器之間高速傳輸數(shù)據(jù)。在DMAC傳輸數(shù)據(jù)期間，MPU也可以進(jìn)行其它處理，因此可以大幅度提高系統(tǒng)的效率。

周邊控制用MPR

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real-Time Clock:RTC）

這是用于系統(tǒng)的時(shí)鐘專用LSI。使用MPU的數(shù)據(jù)總線，輸入輸出時(shí)刻數(shù)據(jù)。一般情況下，備有專用電池，即使系統(tǒng)電源斷開，也將保持時(shí)鐘動(dòng)作。

硬盤控制器（Hard-Disc Controller：HDC）

這是用于控制硬盤驅(qū)動(dòng)器的專用LSI。硬盤可以高速保存大容量的數(shù)據(jù)，因此成為計(jì)算機(jī)的輔助存儲(chǔ)裝置的主流。

除此以外，還有圖像處理用圖形顯示控制器（Graphic Display Controller：GDC）、CD-ROM/DVD-ROM驅(qū)動(dòng)用的伺服處理器、音頻用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等各種專用的MPR。

微控制器（MCU）

微控制器是將除了執(zhí)行運(yùn)算及控制的MPU功能以外，還有存儲(chǔ)功能、輸入輸出控制功能集成在一塊芯片LSI上的器件。也叫做單芯片微控制器。

何謂MCU

MCU在1個(gè)LSI中，收納應(yīng)用設(shè)備所必須的大部分功能，做成極為小型的電路，因此成本低，適合量產(chǎn)。作為安裝在家電設(shè)備及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等中的控制器，被大量使用。應(yīng)該內(nèi)置的周邊功能根據(jù)應(yīng)用設(shè)備不同而不同，因此針對(duì)特定用途的性格較強(qiáng)，根據(jù)各種用途，做成多品種的MCU。

芯片放大照片

芯片的放框（左面照片）

微控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)例

MCU應(yīng)用到彩色串聯(lián)打印機(jī)的舉例

微控制器開發(fā)系統(tǒng)

開發(fā)應(yīng)用了微控制器的產(chǎn)品時(shí)，必須開發(fā)產(chǎn)品本身（硬件）及使微控制器動(dòng)作的程序（軟件）。這些開發(fā)以及驗(yàn)證所必須的一套器材統(tǒng)稱為開發(fā)系統(tǒng)。

?

語言工具是對(duì)用戶源程序執(zhí)行從編碼到編譯、匯編、鏈接等一系列作業(yè)，用于輸出對(duì)象（執(zhí)行）文件的系統(tǒng)的總稱。

★　設(shè)計(jì)支持工具（CASE工具）

CASE工具是用于支援以設(shè)計(jì)工程到編程工程以及文檔制作為中心的維護(hù)工程的系統(tǒng)名稱。

★　嵌入控制

嵌入控制是對(duì)用戶源編程提供特定功能的軟件的總稱。

<實(shí)時(shí)OS>

用于控制安裝系統(tǒng)中多任務(wù)動(dòng)作的軟件。

<中間件>

通過軟件實(shí)現(xiàn)以往靠硬件實(shí)現(xiàn)的功能。

測試工具

用于確認(rèn)對(duì)象文件動(dòng)作的系統(tǒng)的總稱。

<調(diào)試工具>

“模擬器”及“仿真器”的用戶接口。

<模擬器>

用軟件模擬MCU動(dòng)作的軟件。無須控制器的系統(tǒng)，適合于理論調(diào)試。

<實(shí)時(shí)仿真器>

在實(shí)際設(shè)備系統(tǒng)上確認(rèn)動(dòng)作的方法，是將“仿真控制器”及“仿真埠”進(jìn)行組合的系統(tǒng)的總稱。我們將在此設(shè)備上加上用戶接口——“調(diào)試工具”后的系統(tǒng)叫做“實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)”。

<輔助工具>

用于聯(lián)結(jié)“實(shí)時(shí)仿真器”和用戶對(duì)象的工具的總稱。

開發(fā)系統(tǒng)的概念圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例

何謂系統(tǒng)LSI

主要將數(shù)碼家電、手機(jī)等通信用、以及汽車用所必須的系牢進(jìn)行集成的大規(guī)模設(shè)備專用的LSI即為系統(tǒng)LSI。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，各種系統(tǒng)LSI的開發(fā)正在不斷發(fā)展，超出千萬柵的產(chǎn)品也陸續(xù)登場。

系統(tǒng)LSI沒有明確的定義。好像各公司有不同的定義，以下是一般的例子。

·具有多內(nèi)核（MPU、存儲(chǔ)器、邏輯或模擬）的單塊集成電路LSI；

·擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)主要功能的LSI；

·10萬柵以上規(guī)模的LSI；

·針對(duì)單個(gè)或多用戶的特定應(yīng)用所開發(fā)的LSI。

不包括單芯片的微控制器及電子計(jì)算器用、時(shí)鐘用LSI、SRAM及快閃式存儲(chǔ)器的多芯片封裝產(chǎn)品、系統(tǒng)模塊。

系統(tǒng)LSI的具體應(yīng)用領(lǐng)域有數(shù)碼家電（數(shù)字TV機(jī)頂盒、DVD數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等）計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備用（MPEG、圖形等圖像處理、硬盤用馬達(dá)及磁頭控制）、通信用（網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等）、汽車用（引擎控制、導(dǎo)航、智能傳輸系統(tǒng)等）等，還有一部分為產(chǎn)業(yè)用而開發(fā)。

用于數(shù)碼相機(jī)的系統(tǒng)ＬＳＩ

系統(tǒng)ＬＳＩ的具體應(yīng)用領(lǐng)域有數(shù)碼家電（數(shù)字ＴＶ＼機(jī)頂盒＼ＤＶＤ＼數(shù)碼相機(jī)＼數(shù)碼攝像機(jī)等）

下一代多媒體LSI的系統(tǒng)圖

手機(jī)的方框圖

何謂DSP

DSP正如其名（Digital Signal Processor），是將數(shù)字信號(hào)處理加以特殊化的處理器。一般被稱為DSP的信號(hào)處理用處理器的內(nèi)部硬件或結(jié)構(gòu)和一般的MPU有幾大不同點(diǎn)。

DSP的重要特征如下所示。

·擁有高速乘法器（一般情況下也具有累加運(yùn)算結(jié)果的功能）；

·具有哈佛型結(jié)構(gòu)（針對(duì)程序和數(shù)據(jù)擁有多個(gè)專用總線的結(jié)構(gòu)）；

·將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行分離、獨(dú)立；

·擁有高速化數(shù)據(jù)地址計(jì)算單元。

甚至還有根據(jù)需要，擁有AD轉(zhuǎn)換器等。即以高速乘法器為中心的哈佛型結(jié)構(gòu)、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器加以分離、獨(dú)立，具有高速化數(shù)據(jù)地址計(jì)算單元的處理器叫做DSP。通過這些結(jié)構(gòu)，比如必須采用乘法及其運(yùn)算結(jié)果的累加的數(shù)字式濾波器，可以在一般處理器十幾倍的速度下進(jìn)行運(yùn)算。但是，一般的MPU也不斷發(fā)展高速化，也開發(fā)出了具有上述特征的產(chǎn)品。今后，MPU和DSP的區(qū)別越來越難。促使區(qū)別越來越難的是用于實(shí)現(xiàn)上述共同的高速化的各種結(jié)構(gòu)、硬件。因?yàn)樗俣纫笤絹碓娇欤虼薉SP和MPU一樣，有使用相同結(jié)構(gòu)的趨勢。

應(yīng)用領(lǐng)域

·數(shù)字TV等數(shù)碼家電的各種信號(hào)處理用；

·數(shù)字手機(jī)的模擬、數(shù)字式基帶處理、聲音壓縮、調(diào)制/解調(diào)制用；

·硬盤、DVD-ROM等存儲(chǔ)設(shè)備的軸馬達(dá)及磁頭（讀取器）傳動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)控制以及精密定位用；

·自動(dòng)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、精密定位用。

而且，DSP的應(yīng)用領(lǐng)域中采用高速的RISC處理器的情況也越來越多。在必須彩高速運(yùn)算處理的應(yīng)用領(lǐng)域中，過去好像不能將RISC和DSP絕對(duì)性的分開。今后，在RISC中安裝DSP的主要功能、硬件的一部分，或者反過來安裝，兩者的分界線越來直不明顯。

系統(tǒng)LSI應(yīng)該以最適合的信號(hào)處理運(yùn)算法則以及必須的結(jié)構(gòu)，來符合其所需要的功能。無論是DSP還RISC處理器，甚至CISC處理器的主要功能、硬件，都是上述整合的方向。

DSP IC的結(jié)構(gòu)例

CD用DSP(將應(yīng)用加以特殊化的專用DSP例）

ASIC

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）是面向特定IC的總稱，包括全定制LSI、半定制LSI等各種LSI。代表性的有門陣列、單元基IC、嵌入式陣列。

★門陣列（Gate Array）

門陣列是半定制LSI的一種，事先準(zhǔn)備好的稱為主體的晶圓。主體是晶體管呈陣列狀鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)。門陣列的制造是在邏輯設(shè)計(jì)結(jié)束后在主機(jī)上實(shí)施布線，構(gòu)成希望的邏輯電路后完成。為此，具有開發(fā)時(shí)間短的特征。

★單元基IC（Cell Based IC）

單元基IC是將最合適設(shè)計(jì)后的內(nèi)部邏輯及存儲(chǔ)器、模擬電路作為單元事先準(zhǔn)備好，再通過組合后設(shè)計(jì)LSI的器件。單元基IC為了從前道工程（擴(kuò)散工程）開始制造，LSI芯片的制造時(shí)間比門陣列的長，但具有設(shè)計(jì)靈活性高、功能高、集成化高等特征。

單元基IC（Cell Based IC）

ASIC實(shí)施例（嵌入式陣列）

嵌入式陣列是在門陣列的主體內(nèi)安裝單元基IC的高集成存儲(chǔ)器及高功能微單元的陣列。具有和單元基IC相同的集成度、高功能特征，同時(shí)也具有和門陣列相同的開發(fā)時(shí)間短的特征。

優(yōu)點(diǎn)

·小型化、重量輕

·高可靠性

·開發(fā)效率的提高

·高速化

·低價(jià)格化

·保持機(jī)密

·低耗電

用途

·計(jì)算機(jī)、工程、工作站、計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)備

·OA設(shè)備

·通信設(shè)備

·數(shù)字AV設(shè)備

·一般產(chǎn)業(yè)用電子設(shè)備

·家庭用電子設(shè)備、游戲機(jī)等。

CMOS? ASIC的芯片照片

主體芯片的部分?jǐn)U大圖

門陣列布線后的部分?jǐn)U大圖

單元基IC的說明圖

各種ASIC的集成度和開發(fā)時(shí)間

嵌入式陣列的概念

ASIC產(chǎn)品開發(fā)流程

ADIC產(chǎn)品開發(fā)，從確定系統(tǒng)規(guī)格到實(shí)際制造為止的工程中，難過各種EDA（Electronic Design Automation）工具進(jìn)行處理、驗(yàn)證。

邏輯合成、測試設(shè)計(jì)

使用邏輯合成系統(tǒng)，從上位設(shè)計(jì)記述生成柵極的設(shè)計(jì)記述。還根據(jù)需要進(jìn)行考慮了測試的設(shè)計(jì)。

★使用EDA工具

邏輯合成工具

測試設(shè)計(jì)工具

邏輯最適化

當(dāng)邏輯仿真時(shí)序解析的結(jié)構(gòu)發(fā)生違反情況的話，則必須修正電路。只要違反的地方、程序不明顯，都可以通過部分修正原先的電路進(jìn)行對(duì)應(yīng)。時(shí)序違反的電路修正可以使用邏輯合成工具執(zhí)行。

邏輯仿真時(shí)序解析（配置布線前）

使用預(yù)估值進(jìn)行仿真。如果沒有違反，則快速sign-lff（簽名發(fā)布），但如果違反情況，則必須進(jìn)行邏輯最適化。

★EDA工具

Verilog模擬工具

VHDL模擬工具

時(shí)序解析工具

配置布線

以sing-off（簽名發(fā)布）后的柵層級(jí)設(shè)計(jì)記述為基礎(chǔ)，以滿足時(shí)序之規(guī)定進(jìn)行配置布線。一旦結(jié)束配置布線處理，將計(jì)算出基于實(shí)際配置布線的時(shí)序信息。

★使用EDA工具

配置布線工具

CTS（Clock Tree Synthesis）工具

論邏輯仿真時(shí)序解析（配置布線后）

使用實(shí)際的配置布線結(jié)果，進(jìn)行驗(yàn)證。處理內(nèi)容和配置布線之彰相同。如果結(jié)果沒有問題，將第二次sing-off（簽名發(fā)布），如果有違反的情況，則必須再次進(jìn)行電路修正，反饋到配置布線工程。

Sign-off:就是半導(dǎo)體制造商和用戶就LSI設(shè)計(jì)正確性相互進(jìn)行確認(rèn)并承諾。

ASIC產(chǎn)品開發(fā)流程

ASIC的完成（表面）

?

ASIC的完成（背面）

I　P

IP（Intellectual Property）一般表示專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，表示已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的功能電路塊（內(nèi)核、單元），即設(shè)計(jì)資產(chǎn)。可以分成硬件IP和軟件IP，其利用已經(jīng)成為大規(guī)模LSI設(shè)計(jì)效率化的關(guān)鍵。

IP的種類

IP作為設(shè)計(jì)資產(chǎn)，大體分為以下兩大類。

·硬件IP（硬件宏）

用于LSI制造的掩模數(shù)據(jù)。

因模擬及配置（布置）使得時(shí)序變?yōu)閲?yán)格的IP。

·軟件IP（軟件宏）

RTL或網(wǎng)絡(luò)表

大部分的數(shù)字邏輯IP。

容易對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)代的變遷。

IP的流通和標(biāo)準(zhǔn)界面化的重要性

現(xiàn)在若由一家公司準(zhǔn)備所有的IP，適時(shí)地提供是比較困難的。對(duì)系統(tǒng)機(jī)器生產(chǎn)廠商而言，用于提高功能的附加價(jià)值較高的IP由自己公司開發(fā)，除此以外的標(biāo)準(zhǔn)性IP從外部（從半導(dǎo)體供應(yīng)商或IP專業(yè)供應(yīng)商）調(diào)配的體制非常有必要。而且，為了將從不同供應(yīng)商獲得的IP進(jìn)行組合，從而開發(fā)效率良好的系統(tǒng)LSI，需要公開的標(biāo)準(zhǔn)界面，現(xiàn)在除了VSI（Virtual Socket Interface）聯(lián)盟以外，還有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體正在不斷推進(jìn)該進(jìn)程。

使用IP的有效性

隨著LSI的高集成化的同時(shí)，集成在1塊芯片上的功能的種類也不斷多樣化。例如，在多媒體相關(guān)系統(tǒng)中，圖像處理、通信控制、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種功能組合在一起。為了將這些功能集成在1塊芯片上，必須混合集成數(shù)字邏輯電路、模擬、存儲(chǔ)器等不同的器件及電路技術(shù)。另一方面，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)品投入市場的交貨期短的要求越來越強(qiáng)。

雖然LSI不斷大規(guī)模化、多功能復(fù)雜化、高性能化，但目前尚處于不允許包括電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證在內(nèi)的LSI開發(fā)時(shí)間增大的情況。為了解決這些問題，使用已經(jīng)得到驗(yàn)證的設(shè)計(jì)資產(chǎn)（IP）是極為有效的，可以大幅度削減設(shè)計(jì)時(shí)間。

將IP進(jìn)行組合后的系統(tǒng)LSI

主要的IP應(yīng)用領(lǐng)域

可編程器件（CPLD/FPGA）

可編程器件是指使用RAM或ROM，在可以實(shí)現(xiàn)程序的范圍，使用者可以實(shí)現(xiàn)任意電路的器件。代表性的器件有CPLD、FPGA。

★CPLD（Complex Programmable Logic Device：復(fù)雜可編程邏輯器件）

擁有多個(gè)邏輯塊（PLD塊），可利用內(nèi)部布線網(wǎng)連接任意塊之間的結(jié)構(gòu)。EEPROM、FLASH方式為主流方式。

CPLD的結(jié)構(gòu)

★FPGA（Field Programmable Gate Array：現(xiàn)場可編程門陣列）

是一種同時(shí)包括用戶可以自由設(shè)定、更改功能的正反器等存儲(chǔ)器件在內(nèi)的集成電路，擁有整體可以相互連接的邏輯單元陣列，有2種類型。與CPLD相比，容量較大，適合于大規(guī)模的電路

（基于SRAM）可重復(fù)編程（reprogrammable）

指SRAM決定相互連接或是以檢查表格（LUT）決定邏輯功能的器件，所以可以多次重寫覆蓋。但是，一旦電源斷開，寫入的內(nèi)容不能保存下來，因此采取安裝到線路板時(shí)，附上電池或準(zhǔn)備好非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，將布線信息保存到內(nèi)部，在接入電源時(shí)裝載該內(nèi)容的方法。

可一次編程（OTP）

以保險(xiǎn)絲互相連接，一旦寫入后，不可以重寫覆蓋。

優(yōu)點(diǎn)

·較短的開發(fā)TAT（周轉(zhuǎn)時(shí)間）

·低廉的開發(fā)費(fèi)

用途

·個(gè)人計(jì)算機(jī)、工程工作站（EWS）、計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)備

·備通信設(shè)備

·數(shù)字AV設(shè)備

·一般產(chǎn)業(yè)用電子設(shè)備

·家庭用電子設(shè)備、游戲機(jī)等通信機(jī)器

FPGA的結(jié)構(gòu)

復(fù)合器件技術(shù)和混載技術(shù)

沒有明確的定義，但作為復(fù)合器件技術(shù)，擁有將雙極型和CMOS邏輯或功率器件等集成在單片電路的制造技術(shù)。混載技術(shù)是指將向系統(tǒng)LSI、ASIC等邏輯LSI中混合安裝存儲(chǔ)器的技術(shù)。

復(fù)合器件技術(shù)

電子設(shè)備中有數(shù)字信號(hào)處理、模擬信號(hào)處理、大功率控制，甚至還有高頻信號(hào)處理等很多信號(hào)處理，使用符合各自用途的半導(dǎo)體。例如，復(fù)合器件技術(shù)是將數(shù)字和模擬信號(hào)處理集成在一塊芯片上、或同樣將數(shù)字信號(hào)處理和功率控制電路集成在一塊芯片上所必須的半導(dǎo)體技術(shù)。

另外還開發(fā)了邏輯IC中混合安裝模擬電路、功率器件（雙極功率晶體管、功率MOSFET、IGBT等）的工藝，這些也可以叫做混載技術(shù)，一般情況下也可以將該技術(shù)叫做混合器件技術(shù)。這些代表性器件有BiCMOS、IPD（Intelligent Power Device）等。

這是將模擬信號(hào)處理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、功率器年、存儲(chǔ)器等集成在一塊芯片上的技術(shù)，根據(jù)混合安裝的電路、器件不同，有很多種類。

目前，正在開發(fā)系統(tǒng)LSI內(nèi)混合安裝存儲(chǔ)器、顯示用專用LSI的器件、馬達(dá)、螺線管等制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器、邏輯LSI內(nèi)混合安裝一部分模擬電路等多種混合LSI、復(fù)合器件裝置。

混載技術(shù)

電子設(shè)備很少有只采用一種半導(dǎo)體的應(yīng)用，一般情況下使用很多半導(dǎo)體。例如，如圖所示的PDA（便攜式信息末端）中，只是信號(hào)處理電路中就使用了專用LSI、微控制器、存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)器IC等很多半導(dǎo)體。

將這些器件集成在一塊芯片上，可以節(jié)省空間、減小體積、提高可靠性、降低成本等，但必須解決各種半導(dǎo)體制程工藝上的不同而引起的各種問題。

過去，曾經(jīng)在高集成化的存儲(chǔ)器工藝中混合安裝了追求高速化的邏輯，而目前是在同一制程中將存儲(chǔ)器和邏輯集成在一塊芯片上，也就是混合化。

PDA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)LSI和混載技術(shù)

在圖形等圖像處理所必需的系統(tǒng)中混合安裝了存儲(chǔ)器，旨在提高信號(hào)處理速度。

當(dāng)然在系統(tǒng)LSI中也采用了混載技術(shù)。但是，采用了和一些目的不同的其他小規(guī)模邏輯IC使用。也就是除系統(tǒng)LSI以外，都是集成在一塊芯片上，這樣可以提高可靠性、減小體積重量等，但很少是以提高信號(hào)處理上的特性為目的的。

系統(tǒng)LSI為了增加提高信號(hào)處理上的機(jī)能、縮短開發(fā)時(shí)間的目的，積極采用混合工藝。例如，將存儲(chǔ)哭混合在一起后，將原來連接在外部的存儲(chǔ)器不能靈活決定存儲(chǔ)器總線長度變?yōu)榭赡埽⒖梢酝ㄟ^并列處理實(shí)現(xiàn)高速化。也解決了外部連接存儲(chǔ)器時(shí)因布線而產(chǎn)生的信號(hào)延遲問題。

另外，混合安裝閃存，實(shí)現(xiàn)了程序的重復(fù)寫入，從而提高了開發(fā)的靈活性，結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)縮短從開發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的時(shí)間。

微控制器一般為了儲(chǔ)存程序等，搭載ROM或RAM等存儲(chǔ)器，但這個(gè)不叫做存儲(chǔ)器混載技術(shù)。

針對(duì)ITS(高度交通系統(tǒng))的圖像識(shí)別LSI

存儲(chǔ)器混載技術(shù)

使用混合安裝DRAM的系統(tǒng)LSI時(shí)，可以削減封裝的總引腳數(shù)，除了實(shí)際安裝時(shí)節(jié)省空間、高速化以外，還有很多優(yōu)點(diǎn)。而且，混合安裝閃存后，可以提高IC設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)QTAT化。

相對(duì)于半導(dǎo)體的內(nèi)部布線而言，外部布線較長，且延遲及與布線有很深關(guān)系的漂移電容較為嚴(yán)重，而且少了與布線的電阻較大的外部存儲(chǔ)器的連接，即可減少延遲。甚至內(nèi)部總線可以在半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行自由設(shè)定，因此可以通過靈活的并列處理實(shí)現(xiàn)高速化，特別是在信號(hào)處理方面具有高速化的優(yōu)點(diǎn)。

而且，對(duì)EMI（Electro Magnetic Interference，電磁波干擾）采取對(duì)策方面也非常有效，還可以靈活設(shè)定存儲(chǔ)器容量。像這樣，混合安裝存儲(chǔ)器的LSI不是單純的將外置存儲(chǔ)器內(nèi)置，而是積極用于圖像處理或圖形等超高速信號(hào)處理所必須的電路中。

混合安裝了可以重復(fù)寫入的閃存后，寫入的程序在設(shè)計(jì)后也可以修正，因此可以實(shí)現(xiàn)靈活的開發(fā)量產(chǎn)體制。

以下照片中的LSI中安裝了個(gè)人電視電話及多媒體瀏覽器所必需的多個(gè)信號(hào)處理部分及12M位DRAM的同時(shí)，內(nèi)置用于連接CMOS型固體攝像器件及液晶面板的圖像輸入輸出接口電路。

內(nèi)嵌針對(duì)手機(jī)用MPEG4混合安裝DRAM的系統(tǒng)LSI

SOI、IPD、BiCMOS技術(shù)

作為器件之間的分離，從以往PN接合時(shí)到利用絕緣物氧化硅的制程技術(shù)就是SOI。作為混合功率器件、邏輯、模擬電路的制程技術(shù)，有IPD、BiCMOS技術(shù)。

★SOI

SOI（Silicon On Insulator）是一種在氧化硅的絕緣體上形成單結(jié)晶硅的制程技術(shù)。IC可以將很多器件集成在一塊芯片上是因?yàn)閷⒎蛛x各器件之間的P型及N型半導(dǎo)體區(qū)域反偏置，在各器件之間進(jìn)行電氣性絕緣。將PN接合反偏置后進(jìn)行絕緣的方法會(huì)由于寄生器件產(chǎn)生故障、或由于泄漏電流引起各種問題，通過采用絕緣體—氧化硅改善問題的制程就是SOI技術(shù)。

該技術(shù)大致可以分為功率系列和信號(hào)系列。

★IPD（Intelligent Power Device）

IPD是采用可以內(nèi)置邏輯電路、模擬電路以及功率器件的數(shù)百個(gè)到數(shù)千個(gè)器件的較小規(guī)模復(fù)合器件技術(shù)的器件。

應(yīng)用領(lǐng)域有汽車用（ABS、氣囊）、各種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、燈驅(qū)動(dòng)器、螺線管驅(qū)動(dòng)器等。該制程可以將輸出PW-MOS、Nch MOS、Pch MOS、PNP Tr、NPN Tr、電阻、電容器等所有器件都集成在一塊芯片上，適合于多功能產(chǎn)品。還有采用簡單的制程，在MOS FET中內(nèi)置過電流及過熱保護(hù)功能電路的復(fù)合MOS FET。

★BiCMOS

這是一種將善于處理模擬信號(hào)的雙極器件技術(shù)和善于處理邏輯信號(hào)的CMOS技術(shù)進(jìn)行融合后的制程技術(shù)。

有可以處理功率的高耐壓系列、大功率系列BiCMOS技術(shù)和不能處理大功率的高頻（以及高精度模擬系列）以及可以處理邏輯信號(hào)的高頻BiCMOS技術(shù)。

右圖為發(fā)揮后者特征的TV用混合信號(hào)LSI方框圖、芯片照片、結(jié)構(gòu)圖。TV用LSI中也不斷發(fā)展引進(jìn)模擬CMOS技術(shù)，以內(nèi)置濾波電路。

IPD的芯片照片

復(fù)合MOSFET(混級(jí)驅(qū)動(dòng)器)

TV信號(hào)處理LSI的方框圖

LSI芯片

?LSI的結(jié)構(gòu)圖