超大规模集成电路物理设计

《超大规模集成电路：系统和电路的设计原理》系统地介绍了超大规模集成电路专用芯片的设计原理。主要内容包括：VLSI基础，包括器件原理、工艺过程、电路抽象、版图设计等内容；微系统设计，包括IP与SOC、测试与可测试性设计、微处理器设计等内容。 2100433B

《超大规模集成电路：系统和电路的设计原理》是由西北工业大学计算机学院教授高德远、樊晓桠、张盛兵等编著的面向计算机专业和微电子专业本科生和研究生的大学VSIL课程教材。该书系统地介绍了超大规模集成电路专用芯片的设计原理。

集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路等。

小规模集成电路于1960年出现，在一块硅片上包含10-100个元件或1-10个逻辑门。如 逻辑门和触发器等。如果用小规模数字集成电路(SSI)进行设计组合逻辑电路时，是以门电路作为电路的基本单元，所以逻辑函数的化简应使使用的门电路的数目最少，而且门的输入端数目也最少。

中规模集成电路（Medium Scale Integration：MSI）

1966年出现，在一块硅片上包含100-1000个元件或10-100个逻辑门。如 ：集成计时器，寄存器，译码器等。

如果选用中规模集成电路(MSI)设计组合逻辑电路时，则以所用集成电路个数最少，品种最少，同时集成电路间的连线也最少。这往往需将逻辑函数表达式变换成选用电路所要求的表达形式，有时可直接用标准范式。

MSI中规模组合逻辑器件功能虽然比小规模集成电路SSI强，但也不像大规模集成电路LSI那样功能专一化，这些器件产品的品种虽然不少，但也不可能完全符合使用者的要求，这就需要将多片级联以扩展其功能，而且还可以用一些标准的中规模继承组件来实现其它一些组合逻辑电路的设计。用中规模集成组件来进行组合逻辑电路设计时，其方法是选择合适的MSI后，将实际问题转化后的逻辑表达式变换为响应的MSI的表达形式。用MSI设计的组合逻辑电路与用门电路设计的组合逻辑电路相比，不仅体积小，重量较轻，而且提高了工作的可靠性。

中规模数据选择起的级联可扩展其选择数据的路数，其功能扩展不仅可用于组合逻辑电路，而且还可用于时序逻辑电路。在组合逻辑电路中主要有以下应用：

（1）级联扩展，以增加选择的路数、位数，可实现由多位到多位的数据传送；

（2）作逻辑函数发生器，用以实现任意组合逻辑电路的设计。

大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits：LSI)

1970年出现，在一块硅片上包含103-105个元件或100-10000个逻辑门。如 ：半导体存储器，某些计算机外设。628512，628128（128K）最大容量1G。

超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits：VLSI)

在一块芯片上集成的元件数超过10万个，或门电路数超过万门的集成电路，称为超大规模集成电路。超大规模集成电路是20世纪70年代后期研制成功的，主要用于制造存储器和微处理机。64k位随机存取存储器是第一代超大规模集成电路，大约包含15万个元件，线宽为3微米。

超大规模集成电路的集成度已达到600万个晶体管，线宽达到0.3微米。用超大规模集成电路制造的电子设备，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。利用超大规模集成电路技术可以将一个电子分系统乃至整个电子系统“集成”在一块芯片上，完成信息采集、处理、存储等多种功能。例如，可以将整个386微处理机电路集成在一块芯片上，集成度达250万个晶体管。超大规模集成电路研制成功，是微电子技术的一次飞跃，大大推动了电子技术的进步，从而带动了军事技术和民用技术的发展。超大规模集成电路已成为衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志，也是世界主要工业国家，特别是美国和日本竞争最激烈的一个领域。

特大规模集成电路(Ultra Large-Scale Integration：ULSI)

1993年随着集成了1000万个晶体管的16M FLASH和256M DRAM的研制成功，进入了特大规模集成电路ULSI (Ultra Large-Scale Integration)时代。特大规模集成电路的集成组件数在107～109个之间。

ULSI电路集成度的迅速增长主要取决于以下两个因素：一是晶体生长技术已达到极高的水平；二是制造设备不断完善，加工精度、自动化程度和可靠性的提高已使器件尺寸进入深亚微米级领域。硅单晶制备技术可使晶体径向参数均匀，体内微缺陷减少，0.1~0.3um大小的缺陷平均可以少于0.05个/平方厘米。对电路加工过程中诱生的缺陷理论模型也有了较为完整的认识，由此发展了一整套晶体的加工工艺。生产电路用的硅片直径的不断增大，导致生产效率大幅度提高，硅片的直径尺寸已达到12英寸。微缺陷的减少使芯片成品率增加，0.02个/平方厘米缺陷的硅片可使256MB DRAM的成品率达到80~90%。

巨大规模集成电路（Giga Scale Integration：GSI）

1994年由于集成1亿个元件的1G DRAM的研制成功，进入巨大规模集成电路GSI（Giga Scale Integration）时代。巨大规模集成电路的集成组件数在109以上。