第1章 SoC设计绪论

1.1 微电子技术概述

1.1.1 集成电路的发展

当1947年12月世界上第一个晶体管在贝尔（Bell）实验室诞生的时候，没有人想象得出这样一个不起眼的元件，会怎样令人难以置信地改变这个世界。但很快，人们渐渐地察觉到：在晶体管发明后的不到5年的时间里，即在1952年5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会上第一次提到了集成电路（IC，Integrated Circuit）的设想。他说：“可以想象，随着晶体管和半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需要外部的连接线。这块电路将由绝缘层、导体和具有整流放大作用的半导体等材料组成”，这就是最早的集成电路概念。

通常所说的“芯片”是指集成电路，它是微电子产业的主要产品。微电子技术是现代信息技术的基础，日常所接触的电子产品，包括通信系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术、数字家电等，都是在微电子技术的基础上发展起来的。因此可以说，半导体已经成为信息时代的标志和基础。

回顾全球集成电路发展的路程，基本上可以总结出6个阶段。

第一阶段：1962年制造出包含12个晶体管的小规模集成电路（SSI，Small-Scale Integration）。

第二阶段：1966年发展到集成度为100～1000个晶体管的中规模集成电路（MSI，Medium-Scale Integration）。

第三阶段：1967～1973年，研制出1000～1000000个晶体管的大规模集成电路（LSI，Large-Scale Integration）。

第四阶段：1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路（VLSI，Very Large-Scale Integration）。这是电子技术的第4次重大突破，从此真正迈入了微电子时代。

第五阶段：1993年随着集成了1000万个晶体管的16MB FLASH和256MB DRAM的研制成功，进入了特大规模集成电路（ULSI，Ultra Large-Scale Integration）时代。

第六阶段：1994年由于集成1亿个元件的1GB DRAM的研制成功，进入巨大规模集成电路（GSI，Giga Scale Integration）时代。

从集成度上看，几十年来集成电路的发展基本遵循着摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月增加1倍。从集成电路的类型和制造工艺尺寸两个方面看，已经超越了摩尔定律。图1-1所示为2005年国际半导体技术蓝图（ITRS，2005 International Technology Roadmap for Semiconductors）中首次提出的摩尔定律及其延伸的概念。可以清楚地看出，一方面，集成电路的类型正在向多样化发展（More than Moore），从单一的数字电路到模拟电路、射频电路、无源器件、高压电路、传感器、生物芯片等，与人和环境的交互功能越来越强；另一方面，在集成电路制造工艺尺寸不断缩小（More Moore）的同时也超出了单一的CMOS工艺（Beyond CMOS），使得集成电路的信息处理量不断提高，系统的集成度越来越高，系统级芯片（SoC，System on Chip）、系统级封装（SiP，System-in-Package）也逐步代替了单一功能的集成电路，发展成为功能更强大、具有更高应用价值的系统。

可以肯定的是，伴随着集成电路的发展，微电子行业具有广阔的科技和应用前景。与此同时，微电子技术必将通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，从根本上改变人类的生活。

1.1.2 集成电路产业分工

微电子技术的迅速发展得益于集成电路产业内部的细致分工。目前，集成电路产业链主要包括设计、制造、封装和测试，如图1-2所示。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了3次重大变革。

1.以生产为导向的初级阶段

确切地说，20世纪60年代的集成电路产业就是半导体产业，这一时期半导体制造在IC产业中充当主要角色，IC设计只作为其附属部门而存在。当时的厂家没有专业分工，所掌握的技术十分全面，最典型的代表就是仙童（Fairchild）公司，它们不但生产晶体管、集成电路，就连生产所需的设备都自己制造。到了20世纪70年代，半导体工艺设备和集成电路辅助设计工具成为相互独立的产业，两者以其精湛的专业技术为IC厂家提供高质量的设备，使得IC厂家可以有更多的精力用于产品的设计与工艺的研究。

2.Foundry与Fabless设计公司的崛起

到了20世纪80年代，工艺设备生产能力已经相当强大，但是费用十分昂贵，IC厂家自己的设计已不足以供其饱和运行，因此开始承接对外加工，继而由部分变为全部对外加工，形成了Foundry加工和Fabless设计的分工。

Fabless是半导体集成电路行业中无生产线设计公司的简称。Fabless开拓出市场后（或根据市场未来的需求进行风险投资）进行产品设计，将设计的成果外包给Foundry厂家进行芯片生产，生产出来的芯片经过封装测试后由设计公司销售。

Foundry是芯片代工厂的简称。Foundry不搞设计，也没有自己的IC产品，它为Fabless提供完全意义上的代工，这使Fabless可以放心地把产品交给Foundry而无须担心知识产权外流。

集成电路产业的这一次分工，再加上集成电路辅助设计工具发展为电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）系统为大批没有半导体背景的系统设计工程师提供了直接介入IC设计的条件。由于工程师们来自国民经济的各行各业，使得集成电路也渗透到各行各业，开拓了集成电路的应用领域。20世纪80年代的这次分工是集成电路发展过程中的一次重要分工，极大地推动了IC产业的发展。

3.“四业分离”的IC产业

20世纪90年代，随着互联网的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争，使人们认识到，越来越庞大的IC产业体系并不有利于整个IC产业的发展，“分”才能精，“整合”才成优势。于是，IC产业结构开始向高度专业化转变，开始形成设计、制造、封装、测试独立成行的局面，如图1-2所示。

这一次分工的另外一个特征是系统设计和IP（Intelligent Property知识产权）设计逐渐开始分工，它对集成电路产业的影响将不亚于20世纪80年代Fabless与Foundry的分工。从电子工业的发展来看，随着深亚微米集成电路制造工艺的普及，大量逻辑功能可以通过单一芯片实现。同时一些消费类电子行业，如第三代移动通信（3G）、高清晰度电视（HDTV）等行业都要求进行百万门级的IC设计。这些系统的设计要求设计时间、产品投放市场的时间（TTM，Time-To-Market）尽可能短，同时，还要求开发过程有一定的可预测性、产品制造的风险尽量小、产品质量尽可能高。在这种情况下，传统的以单元库（Cell Library）为基础的ASIC设计方法已跟不上设计的需要，于是一种新的设计概念——SoC（System on Chip）应运而生了。