超大規(guī)模集成電路物理設計

《超大規(guī)模集成電路：系統(tǒng)和電路的設計原理》系統(tǒng)地介紹了超大規(guī)模集成電路專用芯片的設計原理。主要內容包括：VLSI基礎，包括器件原理、工藝過程、電路抽象、版圖設計等內容；微系統(tǒng)設計，包括IP與SOC、測試與可測試性設計、微處理器設計等內容。 2100433B

《超大規(guī)模集成電路：系統(tǒng)和電路的設計原理》是由西北工業(yè)大學計算機學院教授高德遠、樊曉椏、張盛兵等編著的面向計算機專業(yè)和微電子專業(yè)本科生和研究生的大學VSIL課程教材。該書系統(tǒng)地介紹了超大規(guī)模集成電路專用芯片的設計原理。

集成電路按集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、特大規(guī)模集成電路和巨大規(guī)模集成電路等。

小規(guī)模集成電路于1960年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含10-100個元件或1-10個邏輯門。如 邏輯門和觸發(fā)器等。如果用小規(guī)模數(shù)字集成電路(SSI)進行設計組合邏輯電路時，是以門電路作為電路的基本單元，所以邏輯函數(shù)的化簡應使使用的門電路的數(shù)目最少，而且門的輸入端數(shù)目也最少。

中規(guī)模集成電路（Medium Scale Integration：MSI）

1966年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含100-1000個元件或10-100個邏輯門。如 ：集成計時器，寄存器，譯碼器等。

如果選用中規(guī)模集成電路(MSI)設計組合邏輯電路時，則以所用集成電路個數(shù)最少，品種最少，同時集成電路間的連線也最少。這往往需將邏輯函數(shù)表達式變換成選用電路所要求的表達形式，有時可直接用標準范式。

MSI中規(guī)模組合邏輯器件功能雖然比小規(guī)模集成電路SSI強，但也不像大規(guī)模集成電路LSI那樣功能專一化，這些器件產品的品種雖然不少，但也不可能完全符合使用者的要求，這就需要將多片級聯(lián)以擴展其功能，而且還可以用一些標準的中規(guī)模繼承組件來實現(xiàn)其它一些組合邏輯電路的設計。用中規(guī)模集成組件來進行組合邏輯電路設計時，其方法是選擇合適的MSI后，將實際問題轉化后的邏輯表達式變換為響應的MSI的表達形式。用MSI設計的組合邏輯電路與用門電路設計的組合邏輯電路相比，不僅體積小，重量較輕，而且提高了工作的可靠性。

中規(guī)模數(shù)據選擇起的級聯(lián)可擴展其選擇數(shù)據的路數(shù)，其功能擴展不僅可用于組合邏輯電路，而且還可用于時序邏輯電路。在組合邏輯電路中主要有以下應用：

（1）級聯(lián)擴展，以增加選擇的路數(shù)、位數(shù)，可實現(xiàn)由多位到多位的數(shù)據傳送；

（2）作邏輯函數(shù)發(fā)生器，用以實現(xiàn)任意組合邏輯電路的設計。

大規(guī)模集成電路(Large Scale Integrated circuits：LSI)

1970年出現(xiàn)，在一塊硅片上包含103-105個元件或100-10000個邏輯門。如 ：半導體存儲器，某些計算機外設。628512，628128（128K）最大容量1G。

超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated circuits：VLSI)

在一塊芯片上集成的元件數(shù)超過10萬個，或門電路數(shù)超過萬門的集成電路，稱為超大規(guī)模集成電路。超大規(guī)模集成電路是20世紀70年代后期研制成功的，主要用于制造存儲器和微處理機。64k位隨機存取存儲器是第一代超大規(guī)模集成電路，大約包含15萬個元件，線寬為3微米。

超大規(guī)模集成電路的集成度已達到600萬個晶體管，線寬達到0.3微米。用超大規(guī)模集成電路制造的電子設備，體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。利用超大規(guī)模集成電路技術可以將一個電子分系統(tǒng)乃至整個電子系統(tǒng)“集成”在一塊芯片上，完成信息采集、處理、存儲等多種功能。例如，可以將整個386微處理機電路集成在一塊芯片上，集成度達250萬個晶體管。超大規(guī)模集成電路研制成功，是微電子技術的一次飛躍，大大推動了電子技術的進步，從而帶動了軍事技術和民用技術的發(fā)展。超大規(guī)模集成電路已成為衡量一個國家科學技術和工業(yè)發(fā)展水平的重要標志，也是世界主要工業(yè)國家，特別是美國和日本競爭最激烈的一個領域。

特大規(guī)模集成電路(Ultra Large-Scale Integration：ULSI)

1993年隨著集成了1000萬個晶體管的16M FLASH和256M DRAM的研制成功，進入了特大規(guī)模集成電路ULSI (Ultra Large-Scale Integration)時代。特大規(guī)模集成電路的集成組件數(shù)在107～109個之間。

ULSI電路集成度的迅速增長主要取決于以下兩個因素：一是晶體生長技術已達到極高的水平；二是制造設備不斷完善，加工精度、自動化程度和可靠性的提高已使器件尺寸進入深亞微米級領域。硅單晶制備技術可使晶體徑向參數(shù)均勻，體內微缺陷減少，0.1~0.3um大小的缺陷平均可以少于0.05個/平方厘米。對電路加工過程中誘生的缺陷理論模型也有了較為完整的認識，由此發(fā)展了一整套晶體的加工工藝。生產電路用的硅片直徑的不斷增大，導致生產效率大幅度提高，硅片的直徑尺寸已達到12英寸。微缺陷的減少使芯片成品率增加，0.02個/平方厘米缺陷的硅片可使256MB DRAM的成品率達到80~90%。

巨大規(guī)模集成電路（Giga Scale Integration：GSI）

1994年由于集成1億個元件的1G DRAM的研制成功，進入巨大規(guī)模集成電路GSI（Giga Scale Integration）時代。巨大規(guī)模集成電路的集成組件數(shù)在109以上。