Chapter 1：Introduction

课程安排

1. 周一课程时间段结束之后有可能有抽查 lab
2. 要建一个微信群——可能会有互动要求

课程章节

• Introduction to IC EDA
• Unix
  • Start
  • File sys
  • Vi
  • Shells
  • Network applications
  • System administration
  • X Window
  • C compilers, make and other development tools
• Scripting language related to ICCAD
  • Tcl/Tk
  • Perl
  • Python
  • Scala
• Design flow (extended and optional)
  • General IC/SoC design flow
• Summary or Review

考核要求

课程目标

1. Learn the principles of using unix commands, utilities and scripts. (命令、工具（或应用）、脚本)
2. To understand basic software concepts and conventions (惯例、规范) seen in main-stream IC design flow.
3. Hence to become confident while facing to complex ICCAD software in the future

碎碎念

• C/C++, Linux, bash, even Perl are always the underlying stuffs
• Chisel 和 Verilog、Sys Verilog 区别

Form transistor to IC

Brief History of Transistor

这里还有一页 ppt

• 1951: Shockley develops junction transistor for production
• 1954: First transistor radios ($30~50; Regency, Totsuko（东京通信工程索尼收音机）)
• 1955: Texas Instruments makes first silicon transistor ($2.50)

• TI 公司，用 Si 做的，以前都用锗做的

• 1956: Shockley Semiconductor Laboratory is founded in Silicon Valley, Robert Noyce and Gordon Moore join

• Shockley 半导体公司在硅谷成立 —— 硅谷得名（不确定？）

• 1956: Shockley, Bardeen and Brattain share a Nobel Prize in Physics
• 1957: Noyce leaves Shockley Semiconductor Labs to form Fairchild Semiconductor with Jean Hoerni and Gordon Moore

• Shockley 管理公司有问题——另外两人去仙童公司

• 1958, 1959: Jack Kilby, working at Texas Instruments, dreams up the idea of a monolithic integrated circuit（集成电路）; Hoerni and Noyce invent diffusing, isolation and connection techniques for first true planar IC

• jean hoerni 设想五个晶体管合在一起，飞线 Hoerni and Noyce 的发明导致可以平面飞线——第一款平面集成电路的诞生、

• 1961: TI and Fairchild introduce the first logic ICs ($50 in quantity)

• 逻辑 IC 的出现——TI 和仙童公司推出

• 1968: Fairchild’s first MOS integrated circuit product —— a dual J-K flip-flop

• 使用 MOS 做出双 JK 触发器

• 1968: Noyce and Moore leave Fairchild and form ==Intel ==

• 创建英特尔

• 1970: Intel starts selling 1K-bit RAM, the 1103 ($21)

• 英特尔做存储器 RAM。传统方法是磁芯做的，1 kbit 要一个柜子，电流还很大

• 1971: Intel introduces the first 4-bit microprocessor, the 4004, originally designed as a special circuit for Busicom (2300 transistors)

• 做了一个4bit的微处理器

• 1976/81: Apple / IBM PC

• Apple 第一个 PC， IBM 反击（IBM 原来是不商用的，最后intel授权给amd 8008）

• 1985: Intel begins focusing on microprocessor products

• 英特尔转型（要倒闭了），专注于微处理器产品

• 1987: TSMC is founded (supports fabless model)

• 台积电成立

• 1991: ARM introduces its first embeddable RISC IP core (supports chipless model)
• 1996: Samsung introduces prototype 1G DRAM
• 1998: IBM Austin Res. Lab announces 1GHz experimental microprocessor
• Intel’s current flagship desktop microprocessors (Core i9) - Tens of billions of transistors, 10 nm(Intel 7) technology, 24 cores, working at >3G (~6G turbo) Hz,~150 W. Competitors are surpassing very quickly onMobile, Desktop and Server products

Try To find info of Apple M3 and A17?

Today's IC Products

Processors

• CPU GPU DSP Controllers xPU

Memory chips

• RAM (SRAM/DRAM), ROM
• EPROM, EEPROM,FlashROM

Programmable

• PLD, FPGA,FPSoC

ASICs (专用集成电路) and SoCs（系统级）

• Consumer electronics vs. infrastructural & industrial
• Telecommunication, network,multimedia, power, automobile,aerospace/military, and etc.

Apple Phone

🔧 主要模块 / Main Modules

📡 无线接口 / Wireless Interface

• 功能: GSM/EDGE收发器, RF PA, 蓝牙, 802.11, 基带
• 成本: A(2.35) + B(2.55) + C(1.90) + D(6.00) + E(11.50) + F(1.40) = $25.70

💻 应用处理器 / Application Processor

• 功能: AP, 运动传感器, 显示驱动, 音频编解码, 电源管理
• 成本: A(2.25) + B(1.50) + C(1.30) + D(28.25) = $33.30

💾 存储 / Memory

• FlashROM: 4G/8G容量
• 成本: $2.35

📷 摄像头 / Camera

• CIS模块: 图像传感器
• 成本: $9.50

🏭 主要供应商 / Key Suppliers

通信芯片: Infineon, Qualcomm 存储: Samsung 模拟: Marvell, National Semi, Wolfson, Linear Tech RF: Skyworks 蓝牙: CSR 摄像头: OmniVision

IC manufacturing, Moore’s Law and ITRS roadmap

Photolithographic Process | 光刻工艺

Transistor and Interconnect Structures ｜ 晶体管与互联结构

Manufactured Wafer and Die ｜ 晶圆和晶粒

一英寸等于 25.4 mm

Chip Sawing and Packaging ｜ 芯片切割与封装

这张图展示的是一个非常经典和重要的高性能芯片封装结构，叫做 倒装芯片球栅格阵列（Flip-Chip Ball Grid Array, 简称 FCBGA）。

它的核心作用是将功能强大、结构精密的芯片（Die）安全、高效地连接到我们常见的电路板（PCB）上。

各部分结构详解：

1. Die (晶粒 / 芯片裸片)
   • 这就是整个封装的“大脑”，是实际的硅芯片，上面集成了数以亿计的晶体管电路。
   • 关键点：在这张图中，芯片是“倒装”（Flip-Chip）的，也就是说，它有电路和连接点的那一面是朝下安装的，而不是朝上。
2. Bumps (凸点)
   • 这些是在芯片（Die）有电路那一面上制作的微小焊点，通常是焊锡或铜柱。
   • 作用：它们是连接芯片和下方基板（Laminate）的桥梁，负责传输电信号和电力。相比传统的引线键合（Wire Bonding），这种直接连接路径更短，电学性能更好（延迟低、速度快）。
3. Laminate (层压基板 / 封装基板)
   • 你可以把它理解为一个微型的、高密度的印刷电路板（PCB）。
   • 作用：它扮演着一个“转接器”的角色。芯片上的连接点（Bumps）非常密集，而主电路板上的焊盘间距则大得多。这个基板的作用就是将来自芯片的密集信号“扇出”（Fan-out），重新布局到下方间距更宽的BGA焊球阵列上。
4. Underfill (底部填充胶)
   • 这是一种环氧树脂类的胶水，在芯片贴装到基板后，被注入到芯片和基板之间的缝隙里，将所有的Bumps都包裹起来。
   • 作用（至关重要）：
     • 分散应力：芯片（硅材料）和基板（有机材料）的热膨胀系数不同，在温度变化时会发生不同程度的伸缩。如果没有Underfill，微小的Bumps连接点会因为这种应力而很快断裂。填充胶能将应力分散开，极大地提高了封装的可靠性和寿命。
     • 物理保护：保护Bumps免受湿气、灰尘等环境因素的侵蚀。
5. BGA balls (BGA 焊球)
   • 这些是位于封装基板（Laminate）底部的、尺寸较大的焊球，它们以阵列（Grid Array）的形式排列。
   • 作用：它们是整个芯片封装与最终产品的主电路板（比如电脑主板、手机主板）进行连接的接口。在装配时，通过加热将这些焊球熔化，从而将整个芯片封装焊接到主板上。
6. Mold (模塑 / 塑封体)
   • 这是覆盖在芯片和基板周围的保护性材料，通常是黑色的环氧树脂模塑料。
   • 作用：为整个结构提供物理保护，防止其受到撞击、划伤和环境侵蚀。

简单来说，这个结构的连接路径是：

芯片内部电路 → Bumps (凸点) → Laminate (封装基板) → BGA balls (BGA焊球) → 最终产品的电路板 (PCB)

Process and Technology Nodes ｜ 工艺与制造节点

What is the Roadmap?

• International Technology Roadmap for Semiconductors （ITRS）
• 2017年以后更名为 International Roadmap for Devices and Systems (IRDS)

Next “node” = 0.7x minimum feature size

• 180->130->90->65->45->32/28->22/20->16/14->10->7->5->3.5(3)->2.5(2)
• 2x transistors on the same size die
• But node definitions gradually lost accurate physical meanings after 90nm node

慢慢的后续的节点定义逐渐失去其物理意义

Moore 's law

用了三个点来预测发展趋势

每十八个月 same size die 上的晶体管数量乘2

Psychology: everyone must beat the Roadmap

• Psychology: everyone must beat the Roadmap

好的，这是为您精简后的Markdown格式版本：

报告概述：摩尔定律与ITRS路线图

内容为 ITRS (国际半导体技术路线图) 在2007年发布的对未来技术趋势的预测，旨在量化摩尔定律的进程。

图表信息解析

• 图表标题: 2007年ITRS产品技术趋势 - 半间距与栅长
• 核心指标:
  • 半间距 (Half-Pitch): 衡量芯片密度。
  • 栅长 (Gate-Length): 决定晶体管性能。
• 坐标轴:
  • X轴: 生产年份 (1995-2025)。
  • Y轴: 关键尺寸 (nm)，为对数坐标，直观展示指数级缩小。

关键尺寸趋势 (数据曲线)

• DRAM M1 1/2 Pitch: DRAM的集成密度趋势。
• MPU M1 1/2 Pitch: 微处理器（MPU）的互连线密度趋势，遵循2.5年周期。
• Flash Poly 1/2 Pitch: 闪存的存储单元密度趋势。
• MPU Gate Length - Printed: 光刻工艺中“印刷”的栅极尺寸。
• MPU Gate Length - Physical: 最终形成的实际栅极长度，通常更小。

技术演进速度 (黄色框注释)

• .71X/NYR 含义: 尺寸在N年内缩小为0.71倍，使芯片面积减半，晶体管数量翻倍。
• 周期变化:
  • 1998年前: 3年周期。
  • 1998年后: 加速为2年周期（经典摩尔定律）。
• 不同产品的周期:
  • 闪存 (Flash): 2年 (最激进)。
  • 微处理器互连线 (MPU M1): 2.5年。
  • 微处理器栅长 (Gate Length): 3年。
• 重要里程碑:
  • 1999年: 小于100nm的纳米技术时代开始。
• 尺寸关系:
  • GLpr IS = 1.6818 x GLph: 预测了印刷栅长(pr)与物理栅长(ph)的定量关系。
• 预测范围:
  • 此图表的预测时间段为 2007 - 2022年。
• 2007年的规划**: 展示了当时行业对技术协同发展的清晰规划，摩尔定律依然有效。
• 发展速度差异: 不同产品（闪存、MPU等）的演进速度存在差异。
• 历史视角: 这是一个基于当时认知的预测。如今，行业已通过FinFET、GAA、3D堆叠等新技术延续摩尔定律精神。

Model of IC industry

Challenges and Demands Facing IC Production

1. Increasing device and chip complexity ｜ 设备和芯片更复杂
   • Moore’s Law on chip scale
   • Processors, software, memory, analog blocks and more
   • Implementation and verification more difficult ｜ 实施和验证过程更加困难
2. Nanometer effects ｜ 纳米效应
   • Moore’s Law on device shrinking
   • Cross-coupling, signal integrity, device variation, manufacturability, leakage & power ｜ 交叉耦合、信号完整性、器件差异、可制造性、泄漏与功率
3. Stronger market pressures
   • Moore’s Law on generation time
   • Quick development; price competition
   • Performance, area, and power demands ｜ 性能、面积和功耗要求

Business Models

这张图展示了半导体产业从“垂直整合”到“水平分工”的演变。

• 1970年以前：IDM模式

• 一家公司包揽所有环节，典型代表是英特尔（Intel）。

• 1970-1990年：设计与制造分离

• 产业开始分工，出现了只负责设计的Fabless（如英伟达NVIDIA、高通Qualcomm）和只负责制造的Foundry（如台积电TSMC）。

• 1990年以后：专业化分工深化

• 分工更加细化，诞生了提供核心设计方案的IP厂商，最成功的代表是ARM。

2024年 第一是nvidia 第二是samsung 第三是intel

2017年 第一是qualcomm 高通 第二是broadcom 第三是nvidia

倒金字塔结构

电子系统占了2万亿（trillion）美元，半导体占了527Billion，eda占了13B，其中半导体占据了20%到30%以上，逐渐也在上升

EDA and EDA industry | EDA与EDA行业

• 劳动生产力or产出率（单位是Trans./staff -Mo. 每个人、月设计的晶体管数目）
• 红色曲线（每年58%增长——摩尔定律 (1 + 0.58)^{1.5} = ?）--每个芯片上逻辑晶体管的数量 从10k个到很多很多个晶体管
• 绿色和红色之间有非常大的gap 每个人每个月能完成的晶体管数目只以21%的速率在增长——要增加工程师数目，提出的新的要求——劳动生产率提上去，趋势如同蓝色的线所示

怎样提升劳动生产力呢？——使用计算机辅助设计工具 ——EDA

EDA stands for Electronic Design Automation

Subtle differences between EDA and ICCAD | EDA 和 ICCAD 的细微区别？

EDA是只要是辅助做电子系统都是EDA，而ICCAD一定是和IC相关的辅助设计工具

ICCAD占据了EDA的90%左右

该图展示了EDA (电子设计自动化) 的四个层次，而ICCAD是其中的核心子集。

• ICCAD (集成电路设计)
  • 主要环节: 第3部分 - 半导体产业
  • 核心任务: 逻辑综合、布局布线、电路仿真。
• EDA的其他范畴 (非ICCAD)
  • 系统级设计 (ESL): 第1、2部分，负责更高层的算法（现实世界）和架构（电子系统）。

• 第二部分也有部分是ICCAD

• 工艺级设计 (TCAD): 第4部分，负责底层的器件和制造工艺（硅晶圆代工厂）。

设计生产力跃升趋势

这幅图使用麦肯锡S曲线模型，展示了集成电路（IC）设计生产力随着技术范式的变迁而不断跃升的过程。核心是设计抽象层次的不断提高。

演进的三个主要阶段

1. 晶体管级输入 (Transistor entry)
   • 方式: 工程师手动绘制独立的晶体管物理版图。
   • 代表公司: Calma, Computervision。
2. 原理图输入 (Schematic Entry)
   • 方式: 设计抽象到用逻辑门（AND, OR等）连接电路，生产力大幅提升。
   • 代表公司: Daisy, Mentor, Valid。
3. 综合 (Synthesis)
   • 方式: 设计再次抽象到用硬件描述语言（如Verilog）写代码，由EDA工具自动生成电路。这是现代数字设计的基石，生产力实现巨大飞跃。
   • 代表公司: Cadence, Synopsys。

未来趋势 (What's next?)

图表最后提出疑问：继“综合”之后，下一个能带来生产力巨大飞跃的技术范式是什么？（这通常指向更高层次的抽象，如高级综合HLS、系统级设计ESL等）。

自上而下的设计流程

世界EDA公司

Industry’s IC Design Flow in Evolution ｜ IC设计工作流

Mainstream ICCAD Tools on Different Levels ｜ 主流ICCAD工具

蓝色的是开源的

example ｜ 举例

EDA计算平台演进历史详解

Unix-based Platforms

• Software platforms ｜ 软件平台 - 环境的演进
  • Various versions of Unix./Unix-like ｜ Unix/类Unix系统: 传统核心，以其强大的性能和稳定性著称 (如 Linux)。
  • Windows ：作为补充，提供图形化界面和更广泛的桌面应用支持。
  • Cloud-based computing ｜ 未来的方向，提供按需分配的、可扩展的计算资源。
• Needs and supports ｜ 平台需求与支撑工具 - 保证生产力
  • Computing power, stability, ease of use, security and low cost
  • Operating system, window system, C compiler, file sharing,software distribution, remote monitoring, shell scripting,batch scheduling, supporting languages (Perl, Tcl/Tk,Python) and etc.