圖解半導(dǎo)體制程概論（2）

邏輯IC

電子機器的動作所必需的內(nèi)部信號處理大致可以分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理。處理前者的是模擬用半導(dǎo)體器件，處理后者的數(shù)字信號處理的就是邏輯IC，邏輯IC中也有很多種類。

IC、LSI在制造程序上大致分為雙極系列和MOS系列，還可以再分為混合兩者的BiCMOS等復(fù)合型。

邏輯IC是執(zhí)行數(shù)字信號處理的IC、LSI，雙極系列（也就是雙極邏輯）現(xiàn)在只有TTL和ECL，因此提及邏輯IC時，一般可以視為指CMOS邏輯系列以及BiCMOS系列。

而且，邏輯IC也可分為（1）通用邏輯、通用MPU之類的標準品；（2）ASIC（特殊用途用IC）；（3）配合本公司規(guī)格開發(fā)的定制LSI專用產(chǎn)品這幾類。

ASIC可以分成ASCP（顧客專用品）和ASSP（待業(yè)專用品），ASCP還能進一步細分成門陣列（GA）、可現(xiàn)場編程式門陣列（FPGA）、標準單元（SC）、嵌入式單元陣列（ECA）等。但是，即使是完全的定制IC，但通訊用或數(shù)碼家電、車載系統(tǒng)中基本使用的電路及構(gòu)件等都是相同的，開發(fā)上的平臺大都由半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家準備。通過以平臺為基礎(chǔ)進行設(shè)計，可以縮短開發(fā)時間。像這樣定制IC和ASIC的界限沒有明確區(qū)分，有時也將定制IC作為通用產(chǎn)品進行銷售，由此可見，目前情況下這樣的分類是非常困難的。

邏輯IC中有被稱為MPR（microperipheral:微控制器周邊設(shè)備）的器件。這是和于硬盤、圖像處理、打印機等，主要用于計算機周邊設(shè)備的專用LSI。各機器生產(chǎn)廠家大都采用ASIC的方法進行開發(fā)，和上述一樣很難做出明確的分類。

邏輯IC可以分為制造工藝、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計方法等3種，因此分類越來越困難。

邏輯IC、LSI的分類

О雙極邏輯IC、LSI

TTL（Transistor Transistor Logic）

目前，只有部分生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)，市場也在不斷縮小。

ECL(Emitter Coupled Logic)

通過把NPN雙極晶體管放在非飽和區(qū)域使用，并縮小理論振幅來獲得高速特性，可用于要求高速性的IC測試器、通訊用等。

О代表性的CMOS邏輯IC/LSI

通用CMOS邏輯

MPU（Micro Processing Unit）

MCU(Micro Controller Unit)

DSP(Digital Signal Processor)

MPR(Micro Peripherals)

ASIC(Application Specific IC)

GA(Gate Array)

SC(Standard Cell)

DSP的例子

面向各種用途的邏輯IC

CMOS和反相電路

CMOS電路是由P通道能及N通道雙方的MOS晶體管構(gòu)成的電路。由于具有消耗電流少、高速化方便、抗雜音能力強、輸入輸出全擺式等特點，因此現(xiàn)在幾乎所有的LSI都是在這種技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的。

CMOS技術(shù)

CMOS的結(jié)構(gòu)是在N型基板中形成P通道的晶體管，在N型基板中做成較大的低濃度P型區(qū)域（叫娓娓動聽 P井），在P井中形成N通道晶體管。還有與基相反，使用P型基板做成N井的。

反相器

是邏輯IC/LSI的基本電路。如圖所示，舉例說明N型或P型晶體管（TN、TP）串聯(lián)形成的反相電路。門極G上輸入 “1”信號（SP電位）的話，TN將為ON，而TP則成為OFF。相反，輸入“0”信號（SN電位）的話，TN為OFF，而TP則成為ON。對于任何輸入，總有一個對應(yīng)的晶體管是OFF狀態(tài)，且由SP到SN的電流不會流通，因此消耗電流將減少（PMOS、NMOS的1/100-1/1000）。ONOFF切換時因寄生電容會充放電，因此隨著工作頻率增加，耗電量將增大。

優(yōu)點

·非常少的耗電量

·快速的動作速度

·抗雜音較強

·和TTL可兼弱容性

·以低電壓動作簡單

缺點

·制作和序復(fù)雜且耗時長

用途

·標準邏輯（相當(dāng)于ＴＴＬ邏輯）

·幾乎所有的數(shù)字ＬＳＩ（ＭＰＵ＼ＭＣＵ）＼ＤＳＰ＼圖象處理ＬＳＩ＼語音處理）

·電子計算器＼鐘表＼游戲機

·掌上電腦

·電話機

·存儲器（ＲＡＭ＼ＲＯＭ）

·其他＼客戶規(guī)格邏輯電路等

CMOS反相器的圖形記號和動作

?

通用邏輯（CMOS）

指將構(gòu)成數(shù)字電路的閘、緩沖器、正反器等最基本的功能予以獨立的IC產(chǎn)品群。而且，功能、引腳配置、電氣特性等都是全球性標準化的產(chǎn)品群。在制程上還有CMOS、BiCMOS、雙極等。

通用邏輯的主要功能

·邏輯運算功能（閘電路）圖1

·開關(guān)功能

·數(shù)據(jù)的保持功能 圖2

·總線驅(qū)動器（緩沖器）功能 圖3

·計數(shù)器/除頻功能

·電平移動功能

品名和標準化

附加74XXX的品名的標準邏輯作為74規(guī)格，其功能、引腳配置都加以標準化。如果品名（上述XXX的部分）相同，則功能、引腳配置無論哪個生產(chǎn)廠商、哪個系列都相同。系列名不同，數(shù)據(jù)處理速度、驅(qū)動能力等性能將不同，相反，如果系列名相同，則無論哪個生產(chǎn)廠商的性能大致相同。各系列中有數(shù)十品種到百數(shù)十品種的產(chǎn)品（功能）。

*通用邏輯最早以使用雙極系列邏輯為主，現(xiàn)在能方便地實現(xiàn)低耗電量/低電源電壓的CMOS邏輯已成為主流。而且，雙極系列中，ECL也用于超高速應(yīng)用領(lǐng)域（高速測試器等）。

圖1 閘IC例/74VHC04

圖2 正反器IC例/74VHC74

圖3 緩沖器IC例/74VHC244

品名的辨認證

通用邏輯的種類

微處理器

微處理器（micro-computer,簡稱micon）,作為計算機，通過LSI實現(xiàn)必要功能的小型計算機。從身邊的家電產(chǎn)品到計算機及小型控制機器，被廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)中。

策處理器由進行運算、控制的CPU（中央運算處理裝置）、進行記憶的存儲器、進行和外部輸入、輸出的I/O的三部分構(gòu)成。它們之間的信息交換，通過以下三務(wù)總線進行。

（1）?????? 地址總線：用于指定存儲器及I/O地址的信號線；

（2）?????? 數(shù)據(jù)總線：用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降刂房偩€指定的存儲器及I/O的信號線；

（3）?????? 控制總線：用于指示是否讀取或?qū)懭氪鎯ζ骷癐/O、或其他從CPU進行各種控制的信號線。

大規(guī)模系統(tǒng)中，將各種結(jié)構(gòu)要素加以集成化后的LSI進行組合，小規(guī)模系統(tǒng)中，使用將這些集成到一塊芯片上的LSI。

CPU和各種總線連接圖

CISC和RISC

計算機心臟部分——CPU大致分為兩類。一類是具有實現(xiàn)復(fù)雜且高度功能的命令，旨在提高性能的CISC。還有一類是將命令設(shè)置單純化，旨在提高命令執(zhí)行速度的RISC。

CISC方式

減少一個處理所需的命令數(shù)，旨在提高性能。通過1個命令就可以執(zhí)行復(fù)雜的動作，因此叫做CISC（Complexed Instruction Set Computer：復(fù)雜命令集計算機）方式 。相反，命令長度可變，且比較復(fù)雜，因此解讀需要一定的時間，用于執(zhí)行的內(nèi)部電路變得復(fù)雜，硬件設(shè)計的負擔(dān)增加。

RISC方式

只具有少數(shù)的單純性命令，旨在加快執(zhí)行速度。命令長度固定，因此解碼器電路及執(zhí)行電路的規(guī)模較小。命令只有最基本的，因此叫做RISC（Reduced Instruction Set Computer：縮小命令集計算機）方式。命令數(shù)量少，因此需要軟件的負擔(dān)增加，但通過使用C語言等高級語言，可以提高開發(fā)效率。

CISC和RISO的特征

微處理器（MPU）

MPU是意氣風(fēng)發(fā)計算機所需的運算、控制功能集成到一塊芯片上的LSI。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，以往將多個IC進行組合后構(gòu)成CPU的器件現(xiàn)在可以用一個MPU加以實現(xiàn)。

何謂MPU

我們將構(gòu)成微處理器要素中的運算部分和控制部分合在一起的心臟部分叫做CPU，將這個CPU通過1個LSI加以實現(xiàn)的器件就是MPU（微處理器）。MPU不能單獨作為計算機動作，因此將存儲器及I/O進行組合后構(gòu)成計算機。

MPU的基本動作

目前的大部分計算機都是從存儲器讀取命令、一個個逐步執(zhí)行的被叫做諾依曼型的器件。MPU讀取寫在存儲器內(nèi)的程序，解讀寫在程序內(nèi)的命令，按照指示，執(zhí)行將數(shù)據(jù)存儲到存儲器內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)取出等作業(yè)。

微處理器的功作單元例

微型周邊設(shè)備（MPR）

所謂微型周邊設(shè)備（周邊LSI），是指存在于MPU和輸入輸出設(shè)備之間接口的LSI。主要分為支持MPU的LSI和控制周邊設(shè)備以及傳輸數(shù)據(jù)的LSI，根據(jù)不同用途，有各種種類。

MPR用于減輕對MPU的負擔(dān)，提高整個微控制器系統(tǒng)的性能。因為通過專用LSI控制周邊設(shè)備，因此也可以減輕軟件的負擔(dān)。MPR不斷在必須采取圖形用及MPEG等圖像處理、聲音識別等高速處理的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

MPU支持用MPR

存儲器管理單元（Memory Management Unit：MMU）

采用大量且多種存儲器的系統(tǒng)中，管理存儲器變得復(fù)雜，因此要使用MMU，減輕MPU的負擔(dān)。

可編程中斷控制(Programmable Interrupt Control：PIC)

在需要多個中斷輸入的系統(tǒng)中，通過PIC擴大中斷處理的功能。在連接很多周邊設(shè)備等情況時，發(fā)揮整理交通的作用。

直接存儲器存取控制器（Direct Memory Access Controller:DMAC）

通過使用DMAC，可以在不通過MPU的情況下，直接在周邊設(shè)備及存儲器之間高速傳輸數(shù)據(jù)。在DMAC傳輸數(shù)據(jù)期間，MPU也可以進行其它處理，因此可以大幅度提高系統(tǒng)的效率。

周邊控制用MPR

實時時鐘（Real-Time Clock:RTC）

這是用于系統(tǒng)的時鐘專用LSI。使用MPU的數(shù)據(jù)總線，輸入輸出時刻數(shù)據(jù)。一般情況下，備有專用電池，即使系統(tǒng)電源斷開，也將保持時鐘動作。

硬盤控制器（Hard-Disc Controller：HDC）

這是用于控制硬盤驅(qū)動器的專用LSI。硬盤可以高速保存大容量的數(shù)據(jù)，因此成為計算機的輔助存儲裝置的主流。

除此以外，還有圖像處理用圖形顯示控制器（Graphic Display Controller：GDC）、CD-ROM/DVD-ROM驅(qū)動用的伺服處理器、音頻用數(shù)字信號處理器（DSP）等各種專用的MPR。

微控制器（MCU）

微控制器是將除了執(zhí)行運算及控制的MPU功能以外，還有存儲功能、輸入輸出控制功能集成在一塊芯片LSI上的器件。也叫做單芯片微控制器。

何謂MCU

MCU在1個LSI中，收納應(yīng)用設(shè)備所必須的大部分功能，做成極為小型的電路，因此成本低，適合量產(chǎn)。作為安裝在家電設(shè)備及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等中的控制器，被大量使用。應(yīng)該內(nèi)置的周邊功能根據(jù)應(yīng)用設(shè)備不同而不同，因此針對特定用途的性格較強，根據(jù)各種用途，做成多品種的MCU。

芯片放大照片

芯片的放框（左面照片）

微控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)例

MCU應(yīng)用到彩色串聯(lián)打印機的舉例

微控制器開發(fā)系統(tǒng)

開發(fā)應(yīng)用了微控制器的產(chǎn)品時，必須開發(fā)產(chǎn)品本身（硬件）及使微控制器動作的程序（軟件）。這些開發(fā)以及驗證所必須的一套器材統(tǒng)稱為開發(fā)系統(tǒng)。

?

語言工具是對用戶源程序執(zhí)行從編碼到編譯、匯編、鏈接等一系列作業(yè)，用于輸出對象（執(zhí)行）文件的系統(tǒng)的總稱。

★　設(shè)計支持工具（CASE工具）

CASE工具是用于支援以設(shè)計工程到編程工程以及文檔制作為中心的維護工程的系統(tǒng)名稱。

★　嵌入控制

嵌入控制是對用戶源編程提供特定功能的軟件的總稱。

<實時OS>

用于控制安裝系統(tǒng)中多任務(wù)動作的軟件。

<中間件>

通過軟件實現(xiàn)以往靠硬件實現(xiàn)的功能。

測試工具

用于確認對象文件動作的系統(tǒng)的總稱。

<調(diào)試工具>

“模擬器”及“仿真器”的用戶接口。

<模擬器>

用軟件模擬MCU動作的軟件。無須控制器的系統(tǒng)，適合于理論調(diào)試。

<實時仿真器>

在實際設(shè)備系統(tǒng)上確認動作的方法，是將“仿真控制器”及“仿真埠”進行組合的系統(tǒng)的總稱。我們將在此設(shè)備上加上用戶接口——“調(diào)試工具”后的系統(tǒng)叫做“實時仿真系統(tǒng)”。

<輔助工具>

用于聯(lián)結(jié)“實時仿真器”和用戶對象的工具的總稱。

開發(fā)系統(tǒng)的概念圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例

何謂系統(tǒng)LSI

主要將數(shù)碼家電、手機等通信用、以及汽車用所必須的系牢進行集成的大規(guī)模設(shè)備專用的LSI即為系統(tǒng)LSI。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，各種系統(tǒng)LSI的開發(fā)正在不斷發(fā)展，超出千萬柵的產(chǎn)品也陸續(xù)登場。

系統(tǒng)LSI沒有明確的定義。好像各公司有不同的定義，以下是一般的例子。

·具有多內(nèi)核（MPU、存儲器、邏輯或模擬）的單塊集成電路LSI；

·擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)主要功能的LSI；

·10萬柵以上規(guī)模的LSI；

·針對單個或多用戶的特定應(yīng)用所開發(fā)的LSI。

不包括單芯片的微控制器及電子計算器用、時鐘用LSI、SRAM及快閃式存儲器的多芯片封裝產(chǎn)品、系統(tǒng)模塊。

系統(tǒng)LSI的具體應(yīng)用領(lǐng)域有數(shù)碼家電（數(shù)字TV機頂盒、DVD數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等）計算機及周邊設(shè)備用（MPEG、圖形等圖像處理、硬盤用馬達及磁頭控制）、通信用（網(wǎng)絡(luò)、手機等）、汽車用（引擎控制、導(dǎo)航、智能傳輸系統(tǒng)等）等，還有一部分為產(chǎn)業(yè)用而開發(fā)。

用于數(shù)碼相機的系統(tǒng)ＬＳＩ

系統(tǒng)ＬＳＩ的具體應(yīng)用領(lǐng)域有數(shù)碼家電（數(shù)字ＴＶ＼機頂盒＼ＤＶＤ＼數(shù)碼相機＼數(shù)碼攝像機等）

下一代多媒體LSI的系統(tǒng)圖

手機的方框圖

何謂DSP

DSP正如其名（Digital Signal Processor），是將數(shù)字信號處理加以特殊化的處理器。一般被稱為DSP的信號處理用處理器的內(nèi)部硬件或結(jié)構(gòu)和一般的MPU有幾大不同點。

DSP的重要特征如下所示。

·擁有高速乘法器（一般情況下也具有累加運算結(jié)果的功能）；

·具有哈佛型結(jié)構(gòu)（針對程序和數(shù)據(jù)擁有多個專用總線的結(jié)構(gòu)）；

·將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進行分離、獨立；

·擁有高速化數(shù)據(jù)地址計算單元。

甚至還有根據(jù)需要，擁有AD轉(zhuǎn)換器等。即以高速乘法器為中心的哈佛型結(jié)構(gòu)、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器加以分離、獨立，具有高速化數(shù)據(jù)地址計算單元的處理器叫做DSP。通過這些結(jié)構(gòu)，比如必須采用乘法及其運算結(jié)果的累加的數(shù)字式濾波器，可以在一般處理器十幾倍的速度下進行運算。但是，一般的MPU也不斷發(fā)展高速化，也開發(fā)出了具有上述特征的產(chǎn)品。今后，MPU和DSP的區(qū)別越來越難。促使區(qū)別越來越難的是用于實現(xiàn)上述共同的高速化的各種結(jié)構(gòu)、硬件。因為速度要求越來越快，因此DSP和MPU一樣，有使用相同結(jié)構(gòu)的趨勢。

應(yīng)用領(lǐng)域

·數(shù)字TV等數(shù)碼家電的各種信號處理用；

·數(shù)字手機的模擬、數(shù)字式基帶處理、聲音壓縮、調(diào)制/解調(diào)制用；

·硬盤、DVD-ROM等存儲設(shè)備的軸馬達及磁頭（讀取器）傳動器的旋轉(zhuǎn)控制以及精密定位用；

·自動控制馬達的轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、精密定位用。

而且，DSP的應(yīng)用領(lǐng)域中采用高速的RISC處理器的情況也越來越多。在必須彩高速運算處理的應(yīng)用領(lǐng)域中，過去好像不能將RISC和DSP絕對性的分開。今后，在RISC中安裝DSP的主要功能、硬件的一部分，或者反過來安裝，兩者的分界線越來直不明顯。

系統(tǒng)LSI應(yīng)該以最適合的信號處理運算法則以及必須的結(jié)構(gòu)，來符合其所需要的功能。無論是DSP還RISC處理器，甚至CISC處理器的主要功能、硬件，都是上述整合的方向。

DSP IC的結(jié)構(gòu)例

CD用DSP(將應(yīng)用加以特殊化的專用DSP例）

ASIC

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）是面向特定IC的總稱，包括全定制LSI、半定制LSI等各種LSI。代表性的有門陣列、單元基IC、嵌入式陣列。

★門陣列（Gate Array）

門陣列是半定制LSI的一種，事先準備好的稱為主體的晶圓。主體是晶體管呈陣列狀鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)。門陣列的制造是在邏輯設(shè)計結(jié)束后在主機上實施布線，構(gòu)成希望的邏輯電路后完成。為此，具有開發(fā)時間短的特征。

★單元基IC（Cell Based IC）

單元基IC是將最合適設(shè)計后的內(nèi)部邏輯及存儲器、模擬電路作為單元事先準備好，再通過組合后設(shè)計LSI的器件。單元基IC為了從前道工程（擴散工程）開始制造，LSI芯片的制造時間比門陣列的長，但具有設(shè)計靈活性高、功能高、集成化高等特征。

單元基IC（Cell Based IC）

ASIC實施例（嵌入式陣列）

嵌入式陣列是在門陣列的主體內(nèi)安裝單元基IC的高集成存儲器及高功能微單元的陣列。具有和單元基IC相同的集成度、高功能特征，同時也具有和門陣列相同的開發(fā)時間短的特征。

優(yōu)點

·小型化、重量輕

·高可靠性

·開發(fā)效率的提高

·高速化

·低價格化

·保持機密

·低耗電

用途

·計算機、工程、工作站、計算機相關(guān)設(shè)備

·OA設(shè)備

·通信設(shè)備

·數(shù)字AV設(shè)備

·一般產(chǎn)業(yè)用電子設(shè)備

·家庭用電子設(shè)備、游戲機等。

CMOS? ASIC的芯片照片

主體芯片的部分擴大圖

門陣列布線后的部分擴大圖

單元基IC的說明圖

各種ASIC的集成度和開發(fā)時間

嵌入式陣列的概念

ASIC產(chǎn)品開發(fā)流程

ADIC產(chǎn)品開發(fā)，從確定系統(tǒng)規(guī)格到實際制造為止的工程中，難過各種EDA（Electronic Design Automation）工具進行處理、驗證。

邏輯合成、測試設(shè)計

使用邏輯合成系統(tǒng)，從上位設(shè)計記述生成柵極的設(shè)計記述。還根據(jù)需要進行考慮了測試的設(shè)計。

★使用EDA工具

邏輯合成工具

測試設(shè)計工具

邏輯最適化

當(dāng)邏輯仿真時序解析的結(jié)構(gòu)發(fā)生違反情況的話，則必須修正電路。只要違反的地方、程序不明顯，都可以通過部分修正原先的電路進行對應(yīng)。時序違反的電路修正可以使用邏輯合成工具執(zhí)行。

邏輯仿真時序解析（配置布線前）

使用預(yù)估值進行仿真。如果沒有違反，則快速sign-lff（簽名發(fā)布），但如果違反情況，則必須進行邏輯最適化。

★EDA工具

Verilog模擬工具

VHDL模擬工具

時序解析工具

配置布線

以sing-off（簽名發(fā)布）后的柵層級設(shè)計記述為基礎(chǔ)，以滿足時序之規(guī)定進行配置布線。一旦結(jié)束配置布線處理，將計算出基于實際配置布線的時序信息。

★使用EDA工具

配置布線工具

CTS（Clock Tree Synthesis）工具

論邏輯仿真時序解析（配置布線后）

使用實際的配置布線結(jié)果，進行驗證。處理內(nèi)容和配置布線之彰相同。如果結(jié)果沒有問題，將第二次sing-off（簽名發(fā)布），如果有違反的情況，則必須再次進行電路修正，反饋到配置布線工程。

Sign-off:就是半導(dǎo)體制造商和用戶就LSI設(shè)計正確性相互進行確認并承諾。

ASIC產(chǎn)品開發(fā)流程

ASIC的完成（表面）

?

ASIC的完成（背面）

I　P

IP（Intellectual Property）一般表示專利和知識產(chǎn)權(quán)，但在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，表示已經(jīng)設(shè)計完成的功能電路塊（內(nèi)核、單元），即設(shè)計資產(chǎn)?？梢苑殖捎布蘒P和軟件IP，其利用已經(jīng)成為大規(guī)模LSI設(shè)計效率化的關(guān)鍵。

IP的種類

IP作為設(shè)計資產(chǎn)，大體分為以下兩大類。

·硬件IP（硬件宏）

用于LSI制造的掩模數(shù)據(jù)。

因模擬及配置（布置）使得時序變?yōu)閲栏竦腎P。

·軟件IP（軟件宏）

RTL或網(wǎng)絡(luò)表

大部分的數(shù)字邏輯IP。

容易對應(yīng)設(shè)計規(guī)則時代的變遷。

IP的流通和標準界面化的重要性

現(xiàn)在若由一家公司準備所有的IP，適時地提供是比較困難的。對系統(tǒng)機器生產(chǎn)廠商而言，用于提高功能的附加價值較高的IP由自己公司開發(fā)，除此以外的標準性IP從外部（從半導(dǎo)體供應(yīng)商或IP專業(yè)供應(yīng)商）調(diào)配的體制非常有必要。而且，為了將從不同供應(yīng)商獲得的IP進行組合，從而開發(fā)效率良好的系統(tǒng)LSI，需要公開的標準界面，現(xiàn)在除了VSI（Virtual Socket Interface）聯(lián)盟以外，還有幾個標準化團體正在不斷推進該進程。

使用IP的有效性

隨著LSI的高集成化的同時，集成在1塊芯片上的功能的種類也不斷多樣化。例如，在多媒體相關(guān)系統(tǒng)中，圖像處理、通信控制、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)存儲等多種功能組合在一起。為了將這些功能集成在1塊芯片上，必須混合集成數(shù)字邏輯電路、模擬、存儲器等不同的器件及電路技術(shù)。另一方面，對系統(tǒng)產(chǎn)品投入市場的交貨期短的要求越來越強。

雖然LSI不斷大規(guī)模化、多功能復(fù)雜化、高性能化，但目前尚處于不允許包括電路設(shè)計驗證在內(nèi)的LSI開發(fā)時間增大的情況。為了解決這些問題，使用已經(jīng)得到驗證的設(shè)計資產(chǎn)（IP）是極為有效的，可以大幅度削減設(shè)計時間。

將IP進行組合后的系統(tǒng)LSI

主要的IP應(yīng)用領(lǐng)域

可編程器件（CPLD/FPGA）

可編程器件是指使用RAM或ROM，在可以實現(xiàn)程序的范圍，使用者可以實現(xiàn)任意電路的器件。代表性的器件有CPLD、FPGA。

★CPLD（Complex Programmable Logic Device：復(fù)雜可編程邏輯器件）

擁有多個邏輯塊（PLD塊），可利用內(nèi)部布線網(wǎng)連接任意塊之間的結(jié)構(gòu)。EEPROM、FLASH方式為主流方式。

CPLD的結(jié)構(gòu)

★FPGA（Field Programmable Gate Array：現(xiàn)場可編程門陣列）

是一種同時包括用戶可以自由設(shè)定、更改功能的正反器等存儲器件在內(nèi)的集成電路，擁有整體可以相互連接的邏輯單元陣列，有2種類型。與CPLD相比，容量較大，適合于大規(guī)模的電路

（基于SRAM）可重復(fù)編程（reprogrammable）

指SRAM決定相互連接或是以檢查表格（LUT）決定邏輯功能的器件，所以可以多次重寫覆蓋。但是，一旦電源斷開，寫入的內(nèi)容不能保存下來，因此采取安裝到線路板時，附上電池或準備好非揮發(fā)性存儲器，將布線信息保存到內(nèi)部，在接入電源時裝載該內(nèi)容的方法。

可一次編程（OTP）

以保險絲互相連接，一旦寫入后，不可以重寫覆蓋。

優(yōu)點

·較短的開發(fā)TAT（周轉(zhuǎn)時間）

·低廉的開發(fā)費

用途

·個人計算機、工程工作站（EWS）、計算機相關(guān)設(shè)備

·備通信設(shè)備

·數(shù)字AV設(shè)備

·一般產(chǎn)業(yè)用電子設(shè)備

·家庭用電子設(shè)備、游戲機等通信機器

FPGA的結(jié)構(gòu)

復(fù)合器件技術(shù)和混載技術(shù)

沒有明確的定義，但作為復(fù)合器件技術(shù)，擁有將雙極型和CMOS邏輯或功率器件等集成在單片電路的制造技術(shù)。混載技術(shù)是指將向系統(tǒng)LSI、ASIC等邏輯LSI中混合安裝存儲器的技術(shù)。

復(fù)合器件技術(shù)

電子設(shè)備中有數(shù)字信號處理、模擬信號處理、大功率控制，甚至還有高頻信號處理等很多信號處理，使用符合各自用途的半導(dǎo)體。例如，復(fù)合器件技術(shù)是將數(shù)字和模擬信號處理集成在一塊芯片上、或同樣將數(shù)字信號處理和功率控制電路集成在一塊芯片上所必須的半導(dǎo)體技術(shù)。

另外還開發(fā)了邏輯IC中混合安裝模擬電路、功率器件（雙極功率晶體管、功率MOSFET、IGBT等）的工藝，這些也可以叫做混載技術(shù)，一般情況下也可以將該技術(shù)叫做混合器件技術(shù)。這些代表性器件有BiCMOS、IPD（Intelligent Power Device）等。

這是將模擬信號處理電路、數(shù)字信號處理電路、功率器年、存儲器等集成在一塊芯片上的技術(shù)，根據(jù)混合安裝的電路、器件不同，有很多種類。

目前，正在開發(fā)系統(tǒng)LSI內(nèi)混合安裝存儲器、顯示用專用LSI的器件、馬達、螺線管等制動器的驅(qū)動器、邏輯LSI內(nèi)混合安裝一部分模擬電路等多種混合LSI、復(fù)合器件裝置。

混載技術(shù)

電子設(shè)備很少有只采用一種半導(dǎo)體的應(yīng)用，一般情況下使用很多半導(dǎo)體。例如，如圖所示的PDA（便攜式信息末端）中，只是信號處理電路中就使用了專用LSI、微控制器、存儲器、驅(qū)動器IC等很多半導(dǎo)體。

將這些器件集成在一塊芯片上，可以節(jié)省空間、減小體積、提高可靠性、降低成本等，但必須解決各種半導(dǎo)體制程工藝上的不同而引起的各種問題。

過去，曾經(jīng)在高集成化的存儲器工藝中混合安裝了追求高速化的邏輯，而目前是在同一制程中將存儲器和邏輯集成在一塊芯片上，也就是混合化。

PDA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)LSI和混載技術(shù)

在圖形等圖像處理所必需的系統(tǒng)中混合安裝了存儲器，旨在提高信號處理速度。

當(dāng)然在系統(tǒng)LSI中也采用了混載技術(shù)。但是，采用了和一些目的不同的其他小規(guī)模邏輯IC使用。也就是除系統(tǒng)LSI以外，都是集成在一塊芯片上，這樣可以提高可靠性、減小體積重量等，但很少是以提高信號處理上的特性為目的的。

系統(tǒng)LSI為了增加提高信號處理上的機能、縮短開發(fā)時間的目的，積極采用混合工藝。例如，將存儲哭混合在一起后，將原來連接在外部的存儲器不能靈活決定存儲器總線長度變?yōu)榭赡?，并可以通過并列處理實現(xiàn)高速化。也解決了外部連接存儲器時因布線而產(chǎn)生的信號延遲問題。

另外，混合安裝閃存，實現(xiàn)了程序的重復(fù)寫入，從而提高了開發(fā)的靈活性，結(jié)果可以實現(xiàn)縮短從開發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)的時間。

微控制器一般為了儲存程序等，搭載ROM或RAM等存儲器，但這個不叫做存儲器混載技術(shù)。

針對ITS(高度交通系統(tǒng))的圖像識別LSI

存儲器混載技術(shù)

使用混合安裝DRAM的系統(tǒng)LSI時，可以削減封裝的總引腳數(shù)，除了實際安裝時節(jié)省空間、高速化以外，還有很多優(yōu)點。而且，混合安裝閃存后，可以提高IC設(shè)計的靈活性，實現(xiàn)QTAT化。

相對于半導(dǎo)體的內(nèi)部布線而言，外部布線較長，且延遲及與布線有很深關(guān)系的漂移電容較為嚴重，而且少了與布線的電阻較大的外部存儲器的連接，即可減少延遲。甚至內(nèi)部總線可以在半導(dǎo)體內(nèi)部進行自由設(shè)定，因此可以通過靈活的并列處理實現(xiàn)高速化，特別是在信號處理方面具有高速化的優(yōu)點。

而且，對EMI（Electro Magnetic Interference，電磁波干擾）采取對策方面也非常有效，還可以靈活設(shè)定存儲器容量。像這樣，混合安裝存儲器的LSI不是單純的將外置存儲器內(nèi)置，而是積極用于圖像處理或圖形等超高速信號處理所必須的電路中。

混合安裝了可以重復(fù)寫入的閃存后，寫入的程序在設(shè)計后也可以修正，因此可以實現(xiàn)靈活的開發(fā)量產(chǎn)體制。

以下照片中的LSI中安裝了個人電視電話及多媒體瀏覽器所必需的多個信號處理部分及12M位DRAM的同時，內(nèi)置用于連接CMOS型固體攝像器件及液晶面板的圖像輸入輸出接口電路。

內(nèi)嵌針對手機用MPEG4混合安裝DRAM的系統(tǒng)LSI

SOI、IPD、BiCMOS技術(shù)

作為器件之間的分離，從以往PN接合時到利用絕緣物氧化硅的制程技術(shù)就是SOI。作為混合功率器件、邏輯、模擬電路的制程技術(shù)，有IPD、BiCMOS技術(shù)。

★SOI

SOI（Silicon On Insulator）是一種在氧化硅的絕緣體上形成單結(jié)晶硅的制程技術(shù)。IC可以將很多器件集成在一塊芯片上是因為將分離各器件之間的P型及N型半導(dǎo)體區(qū)域反偏置，在各器件之間進行電氣性絕緣。將PN接合反偏置后進行絕緣的方法會由于寄生器件產(chǎn)生故障、或由于泄漏電流引起各種問題，通過采用絕緣體—氧化硅改善問題的制程就是SOI技術(shù)。

該技術(shù)大致可以分為功率系列和信號系列。

★IPD（Intelligent Power Device）

IPD是采用可以內(nèi)置邏輯電路、模擬電路以及功率器件的數(shù)百個到數(shù)千個器件的較小規(guī)模復(fù)合器件技術(shù)的器件。

應(yīng)用領(lǐng)域有汽車用（ABS、氣囊）、各種馬達驅(qū)動器、燈驅(qū)動器、螺線管驅(qū)動器等。該制程可以將輸出PW-MOS、Nch MOS、Pch MOS、PNP Tr、NPN Tr、電阻、電容器等所有器件都集成在一塊芯片上，適合于多功能產(chǎn)品。還有采用簡單的制程，在MOS FET中內(nèi)置過電流及過熱保護功能電路的復(fù)合MOS FET。

★BiCMOS

這是一種將善于處理模擬信號的雙極器件技術(shù)和善于處理邏輯信號的CMOS技術(shù)進行融合后的制程技術(shù)。

有可以處理功率的高耐壓系列、大功率系列BiCMOS技術(shù)和不能處理大功率的高頻（以及高精度模擬系列）以及可以處理邏輯信號的高頻BiCMOS技術(shù)。

右圖為發(fā)揮后者特征的TV用混合信號LSI方框圖、芯片照片、結(jié)構(gòu)圖。TV用LSI中也不斷發(fā)展引進模擬CMOS技術(shù)，以內(nèi)置濾波電路。

IPD的芯片照片

復(fù)合MOSFET(混級驅(qū)動器)

TV信號處理LSI的方框圖

LSI芯片

?LSI的結(jié)構(gòu)圖