图解半导体逻辑IC制程.docx
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图解半导体逻辑IC制程
图解半导体逻辑IC制程
电子机器的动作所必需的内部信号处理人致可以分为模拟信号处理和数字信号处理。
处理前者的是模拟用半导体器件,处理后者的数字信号处理的就是逻辑IC,逻辑IC中也有很多种类。
IC、LSI在制造程序上大致分为双极系列和MOS系列,还可以再分为混合两者的BiCMOS等复合型。
逻辑IC是执行数字信号处理的IC、LSI,双极系列(也就是双极逻辑)现在只有TTL和ECL,因此提及逻辑IC时,一般可以视为指CMOS逻辑系列以及BiCMOS系列。
而且,逻辑IC也可分为
(1)通用逻辑、通用MPU之类的标准品:
(2)ASIC(特殊用途用IC);(3)配合本公司规格开发的定制LSI专用产品这几类。
ASICnJ"以分成ASCP(顾客专用品)和ASSP(待业专用品),ASCP还能进一步细分成门阵列(GA)、可现场编程式门阵列(FPGA)、标准单元(SC)、嵌入式单元阵列(ECA)等。
但是,即使是完全的定制IC,但通讯用或数码家电、车载系统中基本使用的电路及构件等都是相同的,开发上的平台大都由半导体生产厂家准备。
通过以平台为基础进行设计,可以缩短开发时间。
像这样定制IC和ASIC的界限没有明确区分,有时也将定制IC作为通用产品进行销售,由此可见,目前情况下这样的分类是非常困难的。
逻辑IC中有被称为MPR(niiciopenpheral:
微控制器周边设备)的器件。
这是和于硬盘、图像处理、打印机等,主要用于计算机周边设备的专用LSI。
各机器生产厂家大都采用ASIC的方法进行开发,和上述一样很难做出明确的分类。
逻辑IC可以分为制造工艺、应用领域、设计方法等3种,因此分类越来越困难。
逻辑IC、LSI的分类
O双极逻辑IC、LSI
TTL(TransistorTransistorLogic)
目前,只有部分生产厂家在生产,市场也在不断缩小。
ECL(EnutterCoupledLogic)
通过把NPN双极晶体管放在非饱和区域使用,并缩小理论振幅来获得高速特性,可用于要求高速性的IC测试器、通讯用等。
O代表性的CMOS逻辑IC/LSI
通用CMOS逻辑
MPU(MicroProcessingUnit)
MCU(MicroControllerUnit)
DSP(DigitalSignalProcessor)
MPR(MicroPeripherals)
ASIC(ApplicationSpecificIC)
GA(GateArray)
SC(StandaidCell)
DSP的例子
面向各种用途的逻辑IC
CMOS和反相电路
CMOS电路是由P通道能及N通道双方的MOS晶体管构成的电路。
由于具有消耗电流少、高速化方便、抗杂音能力强、输入输出全摆式等特点,因此现在几乎所有的LSI都是在这种技术的基础上构成的。
CMOS技术
CMOS的结构是在N型基板中形成P通道的晶体管,在N型基板中做成较人的低浓度P型区域(叫娓娓动听P井),在P井中形成N通道晶体管。
还有与基相反,使用P型基板做成N井的。
反相器
是逻辑IC/LSI的基本电路。
如图所示,举例说明N型或P型晶体管(TN、TP)串联形成的反相电路。
门极G上输入“1”信号(SP电位)的话,TN将为ON,而TP则成为OFF。
相反,输入“0"信号(SN电位)的话,TN为OFF,而TP则成为ON。
对于任何输入,总有一个对应的晶体管是OFF状态,且由SP到SN的电流不会流通,因此消耗电流将减少
(PMOS、NMOS的1/100-1/1000)。
ON\OFF切换时因寄生电容会充放电,因此随着工作频率增加,耗电量将增大。
优点
•非常少的耗电量
•快速的动作速度
•抗杂音较强
•和TTL可兼弱容性
•以低电压动作简单
缺点
•制作和序复杂且耗时长
用途
•标准逻辑(相当于TTL逻辑)
•几乎所有的数字LSI(MPU\MCU)\DSP\图象处理LSI\语音处理)
•电子计算器\钟表\游戏机
•掌上电脑
•电话机
•存储器(RAM\ROM)
•其他\客户规格逻辑电路等
输入
输出
输入信号
输出信号―LJ-LTi—
CMOS反相器的图形记号和动作
CMOS反相器的电路图
N型瞇墓板
例:
CMOS反相器的结构图
通用逻辑(CMOS)
指将构成数字电路的闸、缓冲器、正反器等最基本的功能予以独立的IC产品群。
而且,功能、引脚配置、电气特性等都是全球性标准化的产品群。
在制程上还有CMOS、BiCMOS、双极等。
通用逻辑的主要功能
•逻辑运算功能(闸电路)图1
•开关功能
•数据的保持功能图2
•总线驱动器(缓冲器)功能图3
•计数器/除频功能
•电平移动功能
品名和标准化
附加74XXX的品名的标准逻辑作为74规格,其功能、引脚配置都加以标准化。
如果品名
(上述XXX的部分)相同,则功能、引脚配置无论哪个生产厂商、哪个系列都相同。
系列名不同,数据处理速度、驱动能力等性能将不同,相反,如果系列名相同,则无论哪个生产厂商的性能人致相同。
各系列中有数十品种到百数十品种的产品(功能)。
*通用逻辑最早以使用双极系列逻辑为主,现在能方便地实现低耗电量/低电源电压的CMOS逻辑已成为主流。
而且,双极系列中,ECL也用于超高速应用领域(高速测试器等)。
14Vcc
136A
126Y
115A
105Y
94A
84Y
(TOPVIEW)
图1闸IC例/74VHC04
1CLR
1D
1CK
1PR
1Q
1Q
GND
图2正反器IC例/74VHC74
图3缓冲器IC例/74VHC244
TC74VHC244FT(EL)
~r〒曲涯關■懑包装名
!
封装名
—功能名
L系列名
L表示74规格系列
生产厂商名
品名的辨认证
5V系列
廉列
33VM列
5V系列
74VC)(播列
741CXJJ列
741VX®列
74VHC系列
74AC系列
74HC系列
480系列
741VT廉列
74ALVR列
740CM列
74A0T*列
-TTL—5V系列
•双极系列
74F康列74ASS9!
74S廉穷74ALS系另74LSJK9I
IX廉穷
列
通用逻辑的种类微处理器
微处理器(micro-computer,简称nucon),作为计算机,通过LSI实现必要功能的小型计算机。
从身边的家电产品到计算机及小型控制机器,被广泛应用在系统中。
策处理器由进行运算、控制的CPU(中央运算处理装置)、进行记忆的存储器、进行和外部输入、输出的I/O的三部分构成。
它们之间的信息交换,通过以下三务总线进行。
(1)地址总线:
用于指定存储器及IO地址的信号线;
(2)数据总线:
用于将数据传输到地址总线指定的存储器及I/O的信号线;
(3)控制总线:
用于指示是否读取或写入存储器及LO.或其他从CPU进行各种控制的信号线。
人规模系统中,将各种结构要素加以集成化后的LSI进行组合,小规模系统中,使用将这些集成到一块芯片上的LSL
地址总践
ROM/RAM
CPU和各种总线连接图
CISC和RISC
计算机心脏部分一CPU人致分为两类。
一类是具有实现复杂且高度功能的命令,旨在提高性能的CISC。
还有一类是将命令设置单纯化,旨在提高命令执行速度的RISCo
CISC方式
减少一个处理所需的命令数,旨在提高性能。
通过1个命令就可以执行复杂的动作,因此叫做CISC(ComplexedIiistmctionSetComputer:
复杂命令集计算机)方式。
相反,命令长度可变,且比较复杂,因此解读需要一定的时间,用于执行的内部电路变得复杂,硬件设计的负担增加。
RISC方式
只具有少数的单纯性命令,旨在加快执行速度。
命令长度固定,因此解码器电路及执行电路
的规模较小。
命令只有最基本的,因此叫做RISC(ReducedIiisti-uctionSetComputer:
缩小命令集计算机)方式。
命令数量少,因此需要软件的负担增加,但通过使用C语言等高级语言,可以提高开发效率。
CISC
RISC
命令的种类
•具有实現厦杂且爲度功絶的命令•具有复册且多样的寻址模式
•访问存储黑的命今車直
•段建于单功幾的墓*命令•县址懵攻较少
•袴储潺访同限定于取出儒再命今
侖令的格戒
•令令长度的种类丰冨•恪式复杂且种类多
•命令长«921多为32比特1•ffl*的格式
命令的欽行速度
•廉敷个时钟
•诵过1个聘神真行
命令行的电路
•很多能况下使用微型Rg•便用現线逻辑
■线处理
•实行非管钱飪理或是实行罩規的•通过書线的■适化.163■线尺绘级计赅陆技术的引丘加連Q令
谕用彷存咨数
•较少(8个左右1
•较多(帳多慣况下为32个J
CISC和RISO的特征
微处理器(MPU)
MPU是意气风发计算机所需的运算、控制功能集成到一块芯片上的LSE随着半导体集成电路技术的不断发展,以往将多个IC进行组合后构成CPU的器件现在可以用一个MPU加以实现。
何谓MPU我们将构成微处理器要素中的运算部分和控制部分合在一起的心脏部分叫做CPU,将这个CPU通过1个LSI加以实现的器件就是MPU(微处理器)。
MPU不能单独作为计算机动作,因此将存储器及VO进行组合后构成计算机。
MPU的基本动作
目前的大部分计算机都是从存储器读取命令、一个个逐步执行的被叫做诺依曼型的器件。
MPU读取写在存储器内的程序,解读写在程序内的命令,按照指示,执行将数据存储到存
储器内,或将数据取出等作业。
微处理器的功作单元例
微型周边设备(MPR)
所谓微型周边设备(周边LSI),是指存在于MPU和输入输出设备之间接II的LSI。
主要分为支持MPU的LSI和控制周边设备以及传输数据的LSI,根据不同用途,有各种种类。
MPR用于减轻对MPU的负担,提高整个微控制器系统的性能。
因为通过专用LSI控制周边设备,因此也可以减轻软件的负担。
MPR不断在必须采取图形用及MPEG等图像处理、声音识别等高速处理的领域中得到应用。
MPU支持用MPR
存储器管理单元(MemoryManagementUnit:
MMU)
采用人量且多种存储器的系统中,管理存储器变得复杂,因此要使用MMU,减轻MPU的负担。
可编程中断控制(ProgrammableInteiruptContiol:
PIC)
在需要多个中断输入的系统中,通过PIC扩人中断处理的功能。
在连接很多周边设备等情况时,发挥整理交通的作用。
直接存储器存取控制器(DirectMemoryAccessContiollei:
D2vIAC)
通过使用DMAC,可以在不通过MPU的情况下,直接在周边设备及存储器之间高速传输数据。
在DMAC传输数据期间,MPU也可以进行其它处理,因此可以人幅度提高系统的效率。
周边控制用MPR
实时时钟(Real-TimeClock:
RTC)
这是用于系统的时钟专用LSI。
使用MPU的数据总线,输入输出时刻数据。
一般情况卞,备有专用电池,即使系统电源断开,也将保持时钟动作。
硬盘控制器(Hard-DiscController:
HDC)
这是用于控制硕盘驱动器的专用LSI。
硬盘可以高速保存大容量的数据,因此成为计算机的辅助存储装置的主流。
除此以外,还有图像处理用图形显示控制器(GraphicDisplayController:
GDC)、CD-ROMDVT)-ROM驱动用的伺服处理器、音频用数字信号处理器(DSP)等各种专用的
MPRo
微控制器(MCU)
微控制器是将除了执行运算及控制的MPU功能以外,还有存储功能、输入输出控制功能集成在一块芯片LSI上的器件。
也叫做单芯片微控制器。
何谓MCU
MCU在1个LSI中,收纳应用设备所必须的人部分功能,做成极为小型的电路,因此成本低,适合量产。
作为安装在家电设备及产业设备等中的控制器,被人量使用。
应该内置的周边功能根据应用设备不同而不同,因此针对特定用途的性格较强,根据各种用途,做成多品种的MCUo
芯片放人照片
L/r
■I
输入输出端口
堆栈指针
程序计数器
计时器
J
控制逻辑
运算单元
命令寄存器
数据总线
■入输出|
濯俘计敎器1—
彳住序存储器
VtJtHROM/TPRCM)
r・・■n
芯片的放框(左面照片)
I暂时童存銘1匚佥令窮。
邊黨运算单元
IALU)
[RAM)
微控制器的内部结构例
MCU应用到彩色串联打印机的举例
微控制器开发系统开发应用了微控制器的产品时,必须开发产品本身(硕件)及使微控制器动作的程序(软件)。
这些开发以及验证所必须的一套器材统称为开发系统。
★语言工具
语言工具是对用户源程序执行从编码到编译、汇编、链接等一系列作业,用于输出对彖(执行)文件的系统的总称。
★设计支持工具(CASE工具)
CASE工具是用于支援以设计工程到编程工程以及文档制作为中心的维护工程的系统名称。
★嵌入控制
嵌入控制是对用户源编程提供特定功能的软件的总称。
V实时OS>
用于控制安装系统中多任务动作的软件。
<中间件〉
通过软件实现以往靠硕件实现的功能。
测试工具
用于确认对彖文件动作的系统的总称。
V调试工具〉
“模拟器”及“仿真器”的用户接11。
V模拟器〉
用软件模拟MCU动作的软件。
无须控制器的系统,适合于理论调试。
<实时仿真器〉
在实际设备系统上确认动作的方法,是将“仿真控制器”及“仿真埠”进行组合的系统的总称。
我们将在此设备上加上用户接II—"调试工具”后的系统叫做“实时仿真系统”。
<辅助工具〉
用于联结“实时仿真器”和用户对象的工具的总称。
开发系统的概念图
系统的结构例
何谓系统LSI
主要将数码家电、手机等通信用、以及汽车用所必须的系牢进行集成的人规模设备专用的LSI即为系统LSI。
随着应用领域的不断扩人,各种系统LSI的开发正在不断发展,超出千万栅的产品也陆续登场。
系统LSI没有明确的定义。
好像各公司有不同的定义,以卞是一般的例子。
•具有多内核(MPU、存储器、逻辑或模拟)的单块集成电路LSI:
•担当系统或子系统主要功能的LSI:
•10万栅以上规模的LSI:
•针对单个或多用户的特定应用所开发的LSE
不包括单芯片的微控制器及电子计算器用、时钟用LSI、SRAM及快闪式存储器的多芯片封装产品、系统模块。
系统LSI的具体应用领域有数码家电(数字TV机顶盒、DVD数码相机、数码摄像机等)计算机及周边设备用(MPEG、图形等图像处理、硬盘用马达及磁头控制)、通信用(网络、手机等)、汽车用(引擎控制、导航、智能传输系统等)等,还有一部分为产业用而开发。
系统LSI的具体应用领域有数码家电(数字TV\机顶盒\DVD\数码相机\数码摄像机等)
卜一代多媒体LSI的系统图
手机的方框图
何谓DSP
DSP正如其名(DigitalSignalProcessor),是将数字信号处理加以特殊化的处理器。
一般被称为DSP的信号处理用处理器的内部硬件或结构和一般的MPU有几人不同点。
DSP的重要特征如下所示。
•拥有高速乘法器(一般情况卜也具有累加运算结果的功能);
•具有哈佛型结构(针对程序和数据拥有多个专用总线的结构):
•将程序存储器和数据存储器进行分离、独立;
•拥有高速化数据地址计算单元。
甚至还有根据需要,拥有AD转换器等。
即以高速乘法器为中心的哈佛型结构、程序存储器和数据存储器加以分离、独立,具有高速化数据地址计算单元的处理器叫做DSPo通过这些结构,比如必须采用乘法及其运算结呆的累加的数字式滤波器,可以在一般处理器十几倍的速度下进行运算。
但是,一般的MPU也不断发展高速化,也开发出了具有上述特征的产品。
今后,MPU和DSP的区别越来越难。
促使区别越来越难的是用于实现上述共同的高速化的各种结构、硕件。
因为速度要求越来越快,因此DSP和MPU—样,有使用相同结构的趋势。
应用领域
•数字TV等数码家电的各种信号处理用;
•数字手机的模拟、数字式基带处理、声音压缩、调制/解调制用;
•硬盘、DVD-ROM等存储设备的轴马达及磁头(读取器)传动器的旋转控制以及精密定位用;
•自动控制马达的转矩控制、速度控制、精密定位用。
而且,DSP的应用领域中采用高速的RISC处理器的情况也越来越多。
在必须彩高速运算处理的应用领域中,过去好像不能将RISC和DSP绝对性的分开。
今后,在RISC中安装DSP的主要功能、硬件的一部分,或者反过来安装,两者的分界线越来直不明显。
系统LSI应该以最适合的信号处理运算法则以及必须的结构,来符合其所需要的功能。
无论
DSPIC的结构例
CD用DSP(将应用加以特殊化的专用DSP例)
ASIC
ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)是面向特定IC的总称,包括全定制LSI、半定制LSI等各种LSL代表性的有门阵列、单元基IC、嵌入式阵列。
★门阵列(GateArray)
门阵列是半定制LSI的一种,事先准备好的称为主体的晶圆。
主体是晶体管呈阵列状铺设的结构。
门阵列的制造是在逻辑设计结束后在主机上实施布线,构成希望的逻辑电路后完成。
为此,具有开发时间短的特征。
★单元基IC(CellBasedIC)
单元基IC是将最合适设计后的内部逻辑及存储器、模拟电路作为单元事先准备好,再通过组合后设计LSI的器件。
单元基IC为了从前道工程(扩散工程)开始制造,LSI芯片的制造时间比门阵列的长,但具有设计灵活性高、功能高、集成化高等特征。
单元基IC(CellBasedIC)
ASIC实施例(嵌入式阵列)
嵌入式阵列是在门阵列的主体内安装单元基IC的高集成存储器及高功能微单元的阵列。
具有和单元基IC相同的集成度、高功能特征,同时也具有和门阵列相同的开发时间短的特征。
优点
•小型化、重量轻
•高可靠性
•开发效率的提高
•高速化
•低价格化
•保持机密
•低耗电
用途
•计算机、工程、工作站、计算机相关设备
OA设备
•通信设备
•数字AV设备
•一般产业用电子设备
•家庭用电子设备、游戏机等。
CMOSASIC的芯片照片
主体芯片的部分扩人图
门阵列布线后的部分扩人图
单元基IC的说明图
集成度
门阵列
单元基IC
嵌入式阵列
—开发时间
♦长
各种ASIC的集成度和开发时间
嵌入式阵列的概念
ASIC产品开发流程
ADIC产品开发,从确定系统规格到实际制造为止的工程中,难过各种EDA(ElectronicDesignAutomation)工具进行处理、验证。
逻辑合成、测试设计
使用逻辑合成系统,从上位设计记述生成栅极的设计记述。
还根据需要进行考虑了测试的设计。
★使用EDA工具
逻辑合成工具
测试设计工具
逻辑最适化
当逻辑仿真时序解析的结构发生违反情况的话,则必须修正电路。
只要违反的地方、程序不明显,都可以通过部分修正原先的电路进行对应。
时序违反的电路修正可以使用逻辑合成工具执行。
逻辑仿真时序解析(配置布线前)
使用预估值进行仿真。
如果没有违反,则快速sign-lff(签名发布),但如果违反情况,则必须进行逻辑最适化。
★EDA工具
Verilog模拟工具
VHDL模拟工具
时序解析工具
配置布线
以smg-off(签名发布)后的栅层级设计记述为基础,以满足时序之规定进行配置布线。
一旦结束配置布线处理,将计算出基于实际配置布线的时序信息。
★使用EDA工具
配置布线工具
CTS(ClockTreeSynthesis)T具
论逻辑仿真时序解析(配置布线后)
使用实际的配置布线结果,进行验证。
处理内容和配置布线之彰相同。
如果结果没有问题,将第二次smg-off(签名发布),如果有违反的情况,则必须再次进行电路修正,反馈到配置布线工程。
Sign-off:
就是半导体制造商和用户就LSI设计正确性相互进行确认并承诺。
ASIC产品开发流程
ASIC的完成(表面)
TOSHIBA
TC280C60XB0000oixxJAPAN
ASIC的完成(背面)
IP
IP(IntellectualProperty)一般表示专利和知识产权,但在半导体领域中,表示已经设计完成的功能电路块(内核、单元),即设计资产。
可以分成硬件IP和软件IP,其利用己经成为大规模LSI设计效率化的关键。
IP的种类
IP作为设计资产,大体分为以卞两人类。
•硬件IP(硬件宏)
用于LSI制造的掩模数据。
因模拟及配置(布置)使得时序变为严格的IP。
•软件IP(软件宏)
RTL或网络表
大部分的数字逻辑疋。
容易对应设计规则时代的变迁。
IP的流通和标准界面化的重要性
现在若由一家公司准备所有的田,适时地提供是比较困难的。
对系统机器生产厂商而言,用于提高功能的附加价值较高的IP由自己公司开发,除此以外的标准性IP从外部(从半导体供应商或IP专业供应商)调配的体制非常有必要。
而且,为了将从不同供应商获得的IP进行组合,从而开发效率良好的系统LSI,需要公开的标准界面,现在除了VSI(VirtualSocketInterface)联盟以外,还有几个标准化团体正在不断推进该进程。
使用IP的有效性
随着LSI的高集成化的同时,集成在1块芯片上的功能的种类也不断多样化。
例如,在多媒体相关系统中,图像处理、通信控制、数据控制、数据存储等多种功能组合在一起。
为了将这些功能集成在1块芯片上,必须混合集成数字逻辑电路、模拟、存储器等不同的器件及电路技术。
另一方面,对系统产品投入市场的交货期短的要求越来越强。
虽然LSI不断大规模化、多功能复杂化、高性能化,但目前尚处于不允许包括电路设计验证
在内的LSI开发时间增人的情况。
为了解决这些问题,使用已经得到验证的设计资产(IP)
是极为有效的,可以人幅度削减设计
将IP进行组合后的系统LSI
廉块LSI生产
主要的IP应用领域
可编程器件(CPLD/FPGA)
可编程器件是指使用RAM或ROM,在可以实现程序的范闱,使用者可以实现任意电路的器件。
代表性的器件有CPLD、FPGAo
★CPLD(ComplexProgranmiableLogicDevice:
复杂门J编程逻辑器件)
拥有多个逻辑块(PLD块),町利用内部布线网连接任意块之间的结构。
EEPROM.FLASH方式为主流方式。
CPLD的结构
★FPGA(FieldProgiaininableGateArray:
现场可编程门阵列)
是一种同时包括用户可以自由设定、更改功能的正反器等存储器件
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