11集成电路历史与发展趋势3学时

发布于:2021-12-04 01:07:28

系统芯片(SoC)设计 1 目标与要求 ? 目标 – 复*VLSI系统导论的知识 – 介绍SoC设计的基本方法和技术 – 建立架构SoC芯片的基本能力 ? 要求 – 具有计算机体系结构的背景知识 – 对数字电路有一定了解 2 什么是SoC 逻辑单元 CPU 内核 Analog PAD 静态RAM 3 课时安排 周次 内容 1 集成电路历史与发展趋势,设计指标 2 CMOS反相器性能的定性分析及优化设计, CMOS组合逻辑门设计 3 CMOS时序逻辑门设计,同步时序电路 4 存储单元,低功耗设计 5 芯片规划和设计 6 电子系统设计,系统总线1 4 课时安排 周次 内容 7 系统总线1 8 中断控制器IP和外部存储器控制器IP设计 9 DMAC控制器IP的设计,IP介绍 10 嵌入式微处理器1 11 嵌入式微处理器2 12 芯片验证 5 课时安排 周次 内容 13 系统定义和计算模型 14 总复* 6 其它 ? 主讲 – 王学香: wxx@seu.edu.cn ? 考核方式 – 闭卷考试 ? 参考书 – 数字集成电路——电路、系统与设计(第二版) ? 致谢 – 本课件参考了多位国内外老师的相关课件,在此感谢 这些做出贡献的老师们 7 集成电路历史与发展趋势 8 为什么要设计集成电路? ? 分为两个问题 – 为什么要使用电子系统? – 为什么用集成电路构建电子系统? ? 以计算机的发展为例 – 从机械到电子 – 从电子管到晶体管 – 从晶体管到集成电路 9 第一台计算机 (1832) ? Babbage ? 差分引擎 ? 25000个零部件 ? 3位10进制计算 ? 花费:?17470 10 第一台电子计算机(1946) ? ENIAC ? 17468个电子管 ? 6000个开关 ? 可做到每秒5000 个数的加法运算 11 第一个晶体管 (1947) ? William Shockley, Walter Brittain & John Bardeen (贝尔实验室) ? 锗材料 ? 1956 Noble Prize 电子管统治了20世纪的前半部分: 体积大、价格 昂贵、功耗大、稳定性差 现在,这一切改变了! 12 晶体管计算机 TX-0 (MIT, 1953) Transistor (Manchester, 1955) 13 第一块集成电路 (1958) ? Jack Kilby (TI) ? 5个器件 ? 锗材料 ? 2000 Noble Prize 集成电路:在一个半导体材料上做了多个电子元器件,用互 联线把它们连接起来,成为一个电子器件。 14 第一块商用集成电路 (1961) ? Fairchild(仙童) ? 1bit存储器 ? 4个晶体管和5个电阻 ? 小规模集成电路的时 代开始了 ? Fairchild被认为是硅谷 人才摇篮 15 处理器的诞生 (1971) ? Intel 4004 ? 2300个晶体管 ? 第一个单芯片计算机 ? 标志着大规模集成电 路时代的开始 ? 10um工艺 ? 4位数据位宽 ? 108KHz主频 16 使用IC来构建电子系统 ? 电子系统的构建 – 从电子管开始,然后让电子管小型化 – 晶体管替代电子管,然后让晶体管小型化 – 元器件越来越便宜,但是 ? 再便宜也要成本 ? 整个系统的成本和复杂度相关 ? 集成电路的出现 – 让电路的制造变得像印照片一样容易 ? 元器件可并行制造 ? 成本和元器件个数无直接关系 17 集成电路的优点 ? 集成的特性有利于 – 减小体积 – 提高速度 – 降低功耗 ? 集成降低了制造成本 – 几乎不存在组装的成本 18 处理器继续发展 ? 1974 , Intel 8080 – 第一颗通用微处理器 – 8位数据宽度, 4500个晶体管 ? 1979, Motorola 68000 – 最强大的16位微处理器之一 – 68000个晶体管 – 大规模IC时代的标志性产品 ? 1981, HP Focus Chip – 早期的32位处理器 – 450,000个晶体管 – 超大规模集成电路(VLSI)时代来临 19 Pentium 4 (2001) ? 0.18um工艺 ? 1.4~2GHz主频 ? L2缓存: 256 KB ? 总线速度: 400 MHz ? 晶体管数: 4200万 ? 功耗: 44-55W ? 典型应用: PC 20 Intel Core 2 (2006) ? 2.9亿个晶体管 ? 3GHz主频 ? 65nm CMOS工艺 ? 面积143 mm2 21 VLSI发展带来的变化 ? Cray-1: 世界上最快的计算机 (1976-1982) – 64Mb存储器 (50ns cycle time) – 40Kb寄存器 (6ns cycle time) – 1百万门 (4/5 input NAND) – 80MHz主频 – 功耗115kW ? In 90nm工艺 (2005) – 64Mb => 9mm2 – 40Kb寄存器 => 0.13mm2 – 1百万个NAND4 gates => 4mm2 CRAY - 1 – 3.5mm x 3.5mm芯片面积, 和指甲大小接* 22 微处理器路线图(Intel) Year 1971 1974 1976 1982 1985 1989 1993 1995 1999 2001 2002 Chip 4004 8080 8088 80286 80386 80486 Pentium? Pentium? Pro Mobile PII Pentium? 4 Pentium? 4 (N) L 10?m 6?m 3?m 1.5?m 1.5?m 0.8?m 0.8?m 0.6?m 0.25?m 0.18?m 0.13?m Transistors 2.3K 4.5K 29K 134K 275K 1.

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