物理学前沿讲座现代电子技术的现状及发展趋势

*,*,陕西师范大学物理学与信息技术学院,*,*,*,*,陕西师范大学物理学与信息技术学院,*,*,陕西师范大学物理学与信息技术学院,*,物理学前沿讲座,现代电子技术的现状及开展趋势,2024/8/26,1,2024/8/26,2,当前社会是信息社会，信息技术目前还没有一个十分统一的定义,。,从广义上讲，但凡与上述诸方面相关的技术都可以叫做信息技术，通常可分为四类，即感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。,所谓感测技术，是指对信息的传感、采集技术；,通信技术是传递信息的技术；,计算机技术是处理、存储信息的技术；,控制技术那么是使用与反响信息的技术。,一般认为，信息技术就是,获取、处理、传递、储存、使用,信息的技术。,2024/8/26,3,信息技术的应用性很强，因此又常被称作“3C技术、“3A技术等等，此外还有“3D之说。,3A,是指工厂自动化,(Factory Automation),、办公自动化,(Office Automation),和家庭自动化,(Home Automation),。,3C是指通信(Communication)、计算机(Computer)、控制(Control)三种技术，它们的英文名称的第一个字母都是“C，所以简称3C技术。,“3D 是指数字传输(Digital Transmission)、数字交换(Digital Switching)、数字处理(Digital Processing)三种数字技术。,2024/8/26,4,信息技术的根本结构大致可概括为：,计算机技术领域是核心；,电子技术是信息技术的关键支撑技术，其中包括微电子技术、光电子技术；,信息材料技术是根底信息技术，其中包括电子备料以及光学材料技术；,通信技术是信息技术的重要的直接组成局部。,2024/8/26,5,电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始开展起来的新兴技术，二十世纪开展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术开展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术半导体和集成电路为代表电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的开展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯信息处理、传输和交流及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。,1,电子器件技术,电子技术的应用,根本器件的两个开展阶段,分立元件阶段19051959,真空电子管、半导体晶体管,集成电路阶段1959,SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,主要阶段概述,第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化开展。集成电路从小规模集成电路迅速开展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向开展。,分立元件阶段,电子管时代19051948,为现代技术采取了决定性步骤,主要大事记,1905年 爱因斯坦阐述相对论Emc2,1906年 亚历山德森研制成高频交流发电机,德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管,1912年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管,1917年 坎贝尔研制成滤波器,1922年 弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机,1934年 劳伦斯研制成盘旋加速器,1940年 帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机,1947年 肖克莱、巴丁和布拉顿创造晶体管；香农奠定信息论的根底,真空电子管,分立元件阶段,晶体管时代19481959,宇宙空间的探索即将开始,主要大事记,1947,年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管,1948,年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文,英国采用,EDSAG,计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机,1949,年 诺伊曼提出自动传输机的概念,1950,年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器,1952,年 美国爆炸第一颗氢弹,1954,年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅,1957,年 苏联发射第一颗人造地球卫星,1958,年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路,根本分立元件展示,电阻器,电容器,线圈,电池,晶体管,集成电路阶段,时 期,规 模,集成度,（元件数）,50,年代末,小规模集成电路（,SSI,）,100,60,年代,中规模集成电路（,MSI,）,1000,70,年代,大规模集成电路（,LSI,）,1000,70,年代末,超大规模集成电路（,VLSI,）,10000,80,年代,特大规模集成电路（,ULSI,）,100000,自,1958,年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每,2,年提高近,3,倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。,1985年，1兆位ULSI的集成度到达200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度到达了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。,集成电路阶段,集成电路制造技术的开展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。,可编程逻辑器件PLD,微控制芯片MCU,数字信号处理器DSP,大规模存储芯片RAM/ROM,以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，已经成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。,目前，兴旺国家国民经济总产值增长局部的65%与集成电路相关, 美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2021年将到达60008000亿美元。,作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济开展的命脉、社会进步的根底、国际竞争的筹码和国家平安的保障。,集成电路阶段,2024/8/26,13,集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律开展。,集成电路最重要的生产过程包括：,开发EDA(电子设计自动化)工具,利用EDA进行集成电路设计,根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀),对加工完毕的芯片进行测试,为芯片进行封装,最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。,集成电路阶段,2024/8/26,14,美国芯片微细加工技术目前正在从亚微米向纳米技术过渡，2002年3月，Intel公司宣布其已采用0.09微米工艺生产出面积仅为1平方微米的SRAM。,超紫外光刻技术EUV被视为是保证摩尔定律今后依旧适用的法宝。EUV技术可使半导体制造商在芯片上蚀刻电路线的等级到达0.03微米。比现有制造技术所产生的芯片性能提高100倍，存储容量也可以到达目前的100倍以上。由Intel、IBM、摩托罗拉等公司所组成的企业联盟与美国三个国家实验室，一直致力EUV的研发，投入开发经费已逾2.5亿美元。,在各芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为开展方向的趋势中，将整个电子系统全部集成到一块单芯片之中的SOC越来越呈现出重要性。集微处理器、快闪存储器和数字信号处理器为一体的计算机芯片。这种高度集成的芯片将对手持计算机、移动 和其他移动设备的改进产生巨大影响。,集成电路阶段,2024/8/26,15,我国集成电路产业起步于20世纪60年代，80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米的开展，目前到达了0.18微米的水平，而当前国际水平为0.09微米90纳米，我国与之相差约为2-3代。,2001年全国集成电路产量为64亿块，销售额200亿元人民币。2002年6月,共有半导体企事业单位651家,其中芯片制造厂46家,封装、测试厂108家,设计公司367家,分立器件厂商130家,从业人员11.5万人。设计能力0.180.25微米、700万门,制造工艺为8英寸、0.180.25微米,主流产品为0.350.8微米。,与国外的主要差距：一是规模小，2000年,国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%，占国内市场的20%；二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人,明天后劲乏力；四是人才欠缺。,集成电路阶段,2024/8/26,16,政府的策略：?中共中央国务院关于加强技术创新，开展高科技，实现产业化的决定?指出：“突出高新技术产业领域的自主创新，培育新的经济增长点，在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面，加强高新技术创新，形成一批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业。,专家的共识：中国科学院、中国工程院专门成立了包括师昌绪、王淀佐、王越、王阳元等10位院士组成的专家咨询组。在大量调查研究的根底上，专家们建议，我国在“十五期间要像当年搞“两弹一星一样，集中国家有限的人力和财力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产品。,专家的意见和政府的策略,EDA,技术,电子设计技术的核心就是,EDA,技术。,EDA,是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子,CAD,通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即,IC,设计、电子电路设计和,PCB,设计。,电子系统设计自动化(ESDA)阶段 90年代以后：设计人员按照“自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路ASIC实现，然后采用硬件描述语言HDL完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。,EDA技术开展的三个阶段：,计算机辅助设计(CAD)阶段 70年代：用计算机辅助进行IC幅员编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。,计算机辅助工程(CAE)阶段 80年代：与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。,ARM,开发板,集成电路开展目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前开展，晶圆的面积也在不断地加大，以软硬件协同设计、具有知识产权的内核IP核复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(System on ChipSOC)是超大规模集成电路开展的趋势和新世纪集成电路的主流。,IC产业技术开展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标,多学科融合与渗透,不同时代的设计方法学,SOC,设计方法学,传统的ASIC设计与深亚微米集成电路设计流程比较,开展SOC面临的主要问题,设计复用。是一个关键问题。,接口问题。,时序收敛问题。互连线延迟越来越突出。,设计验证，最大的挑战，,70%,的工作量。,价格。,工艺兼容性问题。也是一个关键问题。,过细分工带来的问题。,设计语言问题。,低功耗问题。,核的分类与定义,SoC,由各种片上功能的嵌入式核组合而成。,软核 是用可综合的RTL描述或者通用库元件的网表形式表示的可复用模块。用户须负责实际的实现和幅员。,固核 是指在结构和拓扑针对性能和面积通过幅员规划，甚至可用某种工艺技术进行优化的可复用模块。它们以综合好的代码或通过库元件的网表形式存在。,硬核 是指在性能、功率和面积上经过优化并映射到特定工艺技术的可复用模块。它们以完整的布局布线的网表和诸如GDSII一种幅员数据文件格式格式的固定幅员形式存在。,软核,固核,硬核,可复用性,可移植性,灵活性,较高的可预言性和性能，短的上市时间，,较高的价格及,IP,提供商的工作量,特定功能核,B,特定功能核,A,特定功能核,C,A/D,D/A,PCI,TAP,PLL,胶联逻辑,存储器,微处理器核,存储器,存储器,基于嵌入式核的,SoC,的一般结构,存储器,系统说明文档,高层次算法模型,软,/,硬件划分和任务分配,划分模型,调度模型,通信模型,软,/,硬件接口定义,行为模型,划分,RTL,综合,硬件,-,软件协同仿真,/,检验,创建住址模型，分析与确认,软件设计要求,用例分析,子系统设计,范例设计,结构设计,用例设计,一般的软硬件,设计方法学,定义核的设计要求,功能、接口、时序,开发行为模型并验证,划分为子模块,子模块的功能要求,子模块,RTL,综合,插入可测性设计,子模块集成,约束条件,面积,功耗,速度,子模块测试平台,满足,RTL,代码故障覆盖率的测试,软核和固核的基于,RTL,综合的设计流程,SoC,设计中的问题,移值方法学,无网表核,与幅员相关的步长,宽长比例失配,手绘幅员,时序问题,时钟重分配,硬核宽度与间距不一致,芯片多重布线导致的,RC,寄生效应,时序重验证,电路时序,工艺与原始材料问题,非工业标准工艺特性,N,阱衬底的连接,衬底原始材料,端口与目标工艺的层间差异,其它问题,混合信号设计不可移值,模拟电路的精度,功耗问题,特征尺寸与芯片内部工作频率,数字电路设计工具,分类,产品名,制造商,逻辑综合器、静态时序分析,Blast RTL,美国,MAGMA,公司,VHDL/Verilog-HDL Simulator,（仿真工具）,Active-HDL,美国,Aldec,公司,混合语言仿真,NC-sim,美国,Cadence Design Systems,公司,Verilog,仿真器,Verilog-XL,System C,仿真器,NC- System C,VHDL,仿真器,NC- VHDL,物理综合工具,PKS,超级综合工具（带有最优化配置功能）,BuildGates Extreme,Verilog,仿真,/VHDL,编译器,VCS/Scirocco,美国,Synopsys,公司,RTL,级逻辑综合工具,DC expert,Vhdl/Verilog,混合语法和设计规范检查器,LEDA,数字电路设计工具(续,分类,产品名,制造商,FPGA,综合器,Synplify PRO,美国,Synplicity,公司,物理综合,Amplify,测试与原型验证,Certify SC,VHDL/Verilog-HDL,仿真工具,ModelSim,美国,Mentor Graphics,公司,Verilog-HDL,仿真工具,TauSim,美国,Tau Simulation,公司,Hardware Accelerator,ARES,美国,IKOS Systems,公司,Static Timming,解析工具,EinsTimer,美国,IBM,公司,逻辑,Simulator(,仿真,),Explore,美国,Aptix,公司,Xcite,美国,Axis Systems,公司,VirtuaLogic,美国,IKOS Systems,公司,VIVACE,美国,Mentor Graphics,公司,功耗解析,/,最优化工具（,RTL,）,WattSmith,美国,Sente,公司,逻辑验证工具（测试向量生成）,Specman Elite,美国,Verisity Design,公司,数字电路设计工具续,分类,产品名,制造商,CODE,COVERAGE,工具，状態,COVERAGE,工具,Verification Navigator/State Navigator,美国,TransEDA,公司,Formal,Verifier,（等价性评价）,BoolesEye,美国,IBM,公司,Tuxedo,美国,Verplex Systems,公司,HDL,调试工具,Debussy,美国,Novas Software,公司,电路合成工具，行为级合成工具（,VHDL,编程）,BooleDozer,美国,IBM,公司,High Level,电路合成工具,eXplorations Tools,美国,Explorations,公司,RTL,设计,TeraForm,美国,Tera Systems,公司,模拟,/,数,.,模混合信号电路设计工具,分类,产品名,制造商,模拟电路,Simulator,（仿真工具）,T-Spice Pro,美国,Tanner Research,公司,SmartSpice,美国,Silvaco International,公司,Eldo,美国,Mentor Graphics,公司,电路图仿真,/,物理设计环境,COSMOS,SE/LE,美国,Synopsys,公司,数字,/,模拟混合信号仿真,HSPICE/NanoSim,混合信号,Simulator,（仿真工具）,ICAP/4,美国,intusoft,公司,混合信号,Simulator,（仿真工具），,RF,电路,Simulator,（仿真工具），,Analog Macro Library,ADVance,，,CommLib,美国,Mentor Graphics,公司,Static Noise,解析工具（混合信号）,SeismIC,美国,CadMOS Design Technology,公司,模拟/数.模混合信号电路设计工具续,分类,产品名,制造商,原理图输入,Orcad Capture CIS,美国,Cadence Design Systems,公司,Concept HDL Capture CIS,原理图仿真,Pspice NC Desktop,分类,产品名,制造商,Hard/Soft,协调设计工具,Cierto VCC Environment,美国,Cadence Design Systems,公司,ArchGen,美国,CAE Plus,公司,eArchitect,美国,Viewlogic Systems,公司,Hard/Soft,协调验证工具,SeamlessCVE,美国,Mentor Graphics,公司,Hard/Soft,协调设计工具,LSI Layout,设计工具,分类,产品名,制造商,寄生电容,/,阻抗提取工具,DISCOVERY,美国,Silvaco International,公司,IC,版图设计,MyChip Station,TM,V6.4,美国,MyCAD,公司,寄生电容,/,寄生阻抗提取工具，延迟计算工具,SWIM/InterCal,美国,Aspec Technology,公司,寄生电容,/,阻抗提取工具，回路,Simulator,（仿真工具），,Layout,变换工具,Spicelink,，,Ansoftlinks,美国,Ansoft,公司,物理版图编辑器,Virtuoso-XL Layout Editor,美国,Cadence Design Systems,公司,交互式物理版图验证工具,Diva,美国,Silvaco International,公司,信号完整性时序分析工具,SignalStorm,美国,MyCAD,公司,LSI Layout设计工具 续,分类,产品名,制造商,Model Generator,CLASSIC-SC,美国,Cadabra Design Automation,公司,Layout,设计工具（带有电路合成功能,）,Blast Fusion,美国,Magma,公司,Layout,设计工具,DOLPHIN,美国,Monterey Design Systems,公司,L-Edit Pro,美国,Monterey Design Systems,公司,MyChip Station,美国,Tanner Research,公司,CELEBRITY,Expert,美国,MyCAD,公司,相位,Shift Mask,设计工具，,OPC,设计工具，,Mask,测试工具,iN-Phase/TROPiC /CheckIt,美国,Silvaco International,公司,版图寄生参数提取工具,Star-RC,美国,Avanti,公司,逻辑仿真与版图设计,熊猫系统,2000,中国华大,测试工具,分类,产品名,制造商,Test - Pattern,变换工具,TDS iBlidge/SimValidator,美国,Fluence Technology,公司,Test,设计工具,TestBench,美国,IBM,公司,TDX,美国,Fluence Technology,公司,Test,解析工具（混合信号）,Test Designer,美国,intusoft,公司,印刷电路版设计工具,分类,产品名,制造商,高速,PCB,设计与验证,SPECCTRAQuest,美国,Cadence Design Systems,公司,PCB,设计用自动配置,配线工具,AllegroSPECCTRA,PCB,设计,Orcad Layout,PCB,用温度解析工具,PCB Thermal,美国,Ansoft,公司,面向焊接的,PCB,用温度解析工具,PCB SolderSim,美国,Ansoft,公司,PCB,用振动疲劳解析工具,PCB Vibration Plus/PCB Fatigue,美国,Ansoft,公司,PCB/MCM,用寄生电容,/,阻抗提取工具，回路,Simulator,（仿真工具）,PCB/MCM Signal Integrity,美国,Ansoft,公司,印刷电路版设计工具续,分类,产品名,制造商,封装,(Package),设计工具,Advanced Packaging Designer/Ensemble,美国,Cadence Design Systems,公司,封装,(Package),用温度解析工具,Hybrid Thermal,美国,Ansoft,公司,封装,(Package),用寄生电容,/,寄生阻抗提取工具,Turbo Package Analyzer,美国,Ansoft,公司,PCB,设计工具,ePlanner,美国,Viewlogic Systems,公司,其它工具,分类,产品名,制造商,AC/DC,设计解析工具,MotorExpert,韓国,jasontech,公司,工艺,Simulator,（仿真工具）,ATHENA,美国,Silvaco International,公司,器件,Simulator,（仿真工具）,ATLAS,美国,Silvaco International,公司,器件模拟工具,工艺模拟工具,Medici,Davinci,TSUPREM,美国,Avanti,公司,射频与微波设计,ADS,美国,Agilent,公司,信号处理系统级设计工具,SPW4.8,美国,Cadence Design Systems,公司,数字信号处理和通信产品的系统级设计工具,Matlab/Simulink,美国,Mathworks,公司,(,代理：九州恒润,),PLD,开发系统,分类,产品名,制造商,可编程逻辑电路开发工具,MAXPLUS ,美国,ALTERA,公司,可编程逻辑电路（含,SOPC,）开发工具,QUARTUS,可编程逻辑电路开发工具,ISP expert/ispLEVER v3.0,美国,Lattice,公司,可编程逻辑电路开发工具,ISE 5.2i,Foundation,美国,Xinlinx,公司,可编程逻辑电路开发工具,Actel Designer R1-2003,美国,ACTEL,公司,硬件描述语言HDL的现状与开展,硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层从抽象到具体逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化EDA工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。,HDL的开展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言趋势和要求，先后成为IEEE标准。,几种代表性的,HDL,语言,1. VHDL早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部开始进行VHDL的开发。1987年， VHDL成为IEEE标准：IEEE Std1076-1987。应当注意，起初VHDL只是作为系统标准的一个标准，而不是为设计而制定的。增加了一些新的命令和属性。1993年成为：IEEE Std1164-93。 虽然有“VHDL是一个4亿美元的错误这样的说法，但毕竟是一个国际标准，它确实比较麻烦，而且其综合库至今也没有标准化，不具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计，VHDL是较为适宜的。在底层的VHDL设计环境是由Verilog HDL描述的器件库支持的，Verilog和VDHL的两个国际组织OVI、VI正在筹划这一工作，准备成立专门的工作组来协调VHDL和Verilog HDL语言的互操作性。OVI也支持不需要翻译，由VHDL到Verilog的自由表达。,2.Verilog HDLVerilog HDL是在1983年，由GDAGateWay Design Automation公司的Phil Moorby首创的。Phil Moorby后来成为Verilog-XL的主要设计者和Cadence公司的第一合伙人。在19841985年，Phil Moorby设计出了第一个名为Verilog-XL的仿真器；1986年，他对Verilog HDL的开展又作出了另一个巨大的奉献：提出了用于快速门级仿真的XL算法。随着Verilog-XL算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速开展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言成为Cadence公司的私有财产。1990年，Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了OVIOpen Verilog International组织，负责促进Verilog HDL语言的开展。基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE标准，即IEEE Std 1364-1995；2001年发布了IEEE Std 1364-2001标准。在这个标准中，参加了Verilog HDL-A标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。,3. Superlog Verilog语言的首创者Phil Moorby和Peter Flake等硬件描述语言专家，在一家叫Co-Design Automation的EDA公司进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。1999年，Co-Design公司发布了SUPERLOGTM系统设计语言，同时发布了两个开发工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。2001年，Co-Design公司向电子产业标准化组织Accellera发布了SUPERLOG扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天Verilog语言的RTL级综合子集的根底上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软件工具所利用。至今为止，已超过15家芯片设计公司用Superlog来进行芯片设计和硬件开发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是不久前，由于整个IT产业的滑坡，EDA公司进行大的整合，Co-Design公司被Synopsys公司兼并，形势又变得扑朔迷离。,4. SystemC随着半导体技术的迅猛开展，SoC已经成为当今集成电路设计的开展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，集成电路设计界一直在考虑如何满足SoC的设计要求，一直在寻找一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言。SystemC正是在这种情况下，由Synopsys公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式SystemC联盟。著名公司Cadence也于2001年参加了SystemC联盟。SystemC从1999年9月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2.0版。,在2001年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开了生动、剧烈的辩论。最后，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计工程，他们愿意选择哪种方案?结果，仅有2票或3票赞成使用SystemC、Cynlib和C Level设计；而Superlog和Verilog各自获得了约20票。至于以后会是什么情况，连会议主持人John Cooley也明确表示：“5年后，谁也不知道这个星球会发生什么事情。各方人士各持己见：为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SoC快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，Cynlib C+是最正确的选择，它速度快、代码精简；Superlog的保卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。,关于,HDL,的一次国际讨论会, 系统级system用语言提供的高级结构实现算法运行的模型； 算法级algorithm用语言提供的高级结构实现算法运行的模型； RTL级Register Transfer Level描述数据在存放器之间流动和如何处理、控制这些数据流动的模型。以上三种都属于行为描述，只有RTL级才与逻辑电路有明确的对应关系。 门级gate-level描述逻辑门以及逻辑门之间的连接模型。与逻辑电路有确切的连接关系。以上四种，数字系统设计工程师必须掌握。 开关级switch-level描述器件中三极管和存储节点以及它们之间连接的模型。与具体的物理电路有对应关系，工艺库元件和宏部件设计人员必须掌握。,目前可取可行的策略和方式,微电子设计工业的设计线宽到0.13m这个目标后，90%的信号延迟将由线路互连所产生。以后，EDA业界将在以下三个方面开展工作。, 互用性标准。所有解决方案的根底，是设计工具开发过程的组件互用性标准。我们知道，EDA工业采用的是工业上所需要的标准，而不管标准是谁制定的。但是，当今市场的迅速开展正在将优势转向那些提供标准时能做到快速适应和技术领先的组织。处于领先的公司正在有目的地向这方面投资，那些没有参加开发这些标准的公司那么必须单独承担风险。, 扩展其高级库格式ALF标准，使其包含物理领域的信息，是EDA开发商可以致力于解决互连问题的算法，从而使电路设计者在解决设计收尾工作时，不再受到这个问题的困扰。, 制定新的系统级设计语言标准。标准化系统芯片的设计工具和语言，使SoC真正到达第三次微电子设计革命浪潮。,未来开展和技术方向,我国开展的战略选择,1.为了实现我国的芯片设计自主化，必须夯实根底，在结合VHDL的根底上，推广Verilog HDL设计语言，使硬件设计的底层单元库可以自主研制；2.根据目前芯片系统的开展趋势，对系统级语言进行比较研究，在Suoerlog、SystemC等语言中做出选择，并进行相关工具的推广，以及与相关企业进行合作等；3. 深入HDL语言的综合和仿真等模型的研究，努力在与国外合作的根底上，建立自主知识产权的EDA公司；4.积极参加EDA目前正在进行的标准化工作，做到了解、学习、应用、吸收、参与并重；5.政府积极参加，重视产、学、研的合作，开展卓有成效的开展模式。,IBM 7090,电子计算机的开展,伴随着电子技术的开展而飞速开展起来的电子计算机所经历的四个阶段充分说明了电子技术开展的四个阶段的特性。,第一代19461957电子管计算机,第二代19581963晶体管计算机,第三代19641970集成电路计算机,第四代1971大规模集成电路计算机,世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC。这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元，是一个昂贵耗电的庞然大物。由于它采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，从而就大大提高了运算速度。ENIAC每秒可进行5000次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间短为30秒。它最初被专门用于弹道运算，后来经过屡次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946年2月交付使用，到1955年10月最后切断电源，ENIAC服役长达9年。,IBM 360,晶体管计算机,ENIAC,品牌电脑,IBM 7090,ENIAC,电子计算机的开展,IBM 360,晶体管计算机,品牌电脑,第一代（,1946,1957,）电子管计算机时代：它的基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度只是每秒几千次,几万次基本运算，内存容量仅几千个字。程序语言处于最低阶段，主要使用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。体积大，耗电多，速度低，造价高，使用不便，主要局限于一些军事和科研部门进行科学计算。（,ENIAC,）,第二代19581963晶体管计算机时代：它的根本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，本钱低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高。IBM 7090,第三代19641970集成电路计算机时代：它的根本元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步开展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次根本运算。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高：体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。,IBM 360系列为代表,第四代1971大规模集成电路计算机时代：它的根本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次根本运算。具有体积小、功能强、可靠性高等特点。,高性能计算：,高性能计算是促进科技创新、经济开展、社会进步及国家平安的战略制高点技术，世界各主要兴旺国家无不对此高度重视。自70年代开始研究以来，高性能计算机经历了向量机、共享主存多处理机、大规模并行处理系统等几个阶段。近年来，美国相继推出高性能计算与通信、加速战略计算创新等方案，将高性能计算领域的国际竞争推向高潮。2000年IBM曾宣布，5年内将投资1亿美元开发新一代超级计算机“蓝色基因，旨在帮助人类探索深层次的生命奥秘，其运算速度将到达每秒1千万亿次，与目前的桌面PC相比，计算能力将超出2百万倍。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,56,神经网络：,由于神经网络是机器学习的一种机制，即具有大量简单处理单元(称为神经元)的执行高度并行处理的，更接近于生物计算系统的一种计算机体系结构，多年来人们一直在着手研究神经网络在军事电子装备中的应用。神经科学、克隆技术以及生物技术的开展，有可能研制出生物神经网络芯片，使其具有人脑一样的功能，并可与活的神经网络结合起来进行控制运算甚至判断等。随着神经网络硬件的实现，将为武器系统带来革命性的变化，对诸如自主系统、传感器数据的自动化处理、实时图像处理和自适应信号处理与控制等应用工程有着显著的意义。据预测，到2021年神经网络计算机将到达实际应用水平。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,57,人工智能：,未来先进的计算机技术将成为探索新的有关知识数学表示法的动力。利用形式化结构和描述战场关键信息(诸如地形、敌兵力意图确实定性的程度及潜在的结局组)的知识表示的先进技术将会提高软件的可靠性。在人工智能的研究和应用方面，包括机器人在内的无人化智能作战平台的开展将最为迅速。指挥控制计算机化、攻击手段机器人化的数字化部队有可能取得突破性进展。随着计算机的智能化，通信、传感和其他信息技术的开展和提高，C41SR系统将是一种智能化的系统。系统装备将朝分布式硬件、环境综合、智能决策、远程监视侦察、无缝通信和全数字化技术方向开展。未来信息化单兵、数字化部队乃至机器人部队将有可能成为现实。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,58,人机接口：,数字处理芯片的开展使得语音处理与合成技术日趋成熟，自然语言理解可望取得令人鼓舞的成就，根据口头命令识别话音的软件也将随着技术改进而被广泛采用，多语言之间的实时同步翻译的梦想将成为现实。在超媒体领域，用户可使用多种不同的信息做匹配导航，出现辅助形式的能使便携机显示手写体字符的眷写软件。立体可视化技术将会广泛应用， 、 、电视、电脑一体化的趋势将成为一种潮流。灵境技术，或称虚拟现实技术，是继多媒体技术之后的新一代人机系统接口技术及高级仿真技术。它将通过头盔显示器、数据手套显示器、数据手套等辅助传感器材，使人可以“浸入计算机生成的虚拟环境直接观察事物的内在变化，并能与之发生“交互作用，产生一种“身临其境的真实感。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,59,分布网络计算：,预计将会通过网络支持团体协同工作的团体软件(Groupware)；在计算机通信方面将实现全战场直到全球“透明的连通平安，电文、图形、图像和电视等信息统一处理，经济上可承受性的无缝通信。可以预期，通过推行信息资源标准化等方案，建立一个全球信息数据库和融合中心网络的目标将指日可待。届时，任何时候可向在任何地方的任何需要的指挥员和武装部队提供作战所需要的任何信息，即指挥员将不受地域限制能检查作战空域内的所有有关信息。分布式处理将朝着进一步利用硬件特性的透明型开展。透明网络便成为21世纪初的目标。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,60,生物计算机：,一个重要开展是DNA计算机。DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子间可以在某种酶的作用下迅速完成生物化学反响，从一种基因码变为另一种基因码，反响前的基因码可以作为输入数据，反响后的基因码可以作为运算结果，在制造这种生物计算机时，首先挑选一些DNA片段分别代表不同的变量，以片段之间的接合和断开序列代表“与和“或逻辑判断，然后运用生物技术手段加以控制，探测并别离出生物材料中具有与特定判断相应特征的局部，那么就可以制成一种新型逻辑判断计算机。目前，DNA计算机已经可以对赫母霍兹等数学问题求解。预计在未来20年有可能出现与微电子芯片融合的高性能DNA计算机。例如可用于高性能计算的基因芯片和生物计算机。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,61,智能结构技术：,随着军用智能技术的开展，各种智能结构武器将对未来作战产生深远影响。智能结构最初受到关注是在70年代末期，美国将光导纤维埋置在复合材料内部，使结构功能产生了显著改善，自此，智能结构技术得到广泛成认，兴旺国家纷纷进行研究开发。智能结构给结构技术的开展注入创新性的活力，它所具有的卓越性能将对21世纪的武器装备产生重大影响。,2,先进智能计算技术,2024/8/26,62,通信是一个古老而崭新的话题。其根源可追溯到公元前3500年，苏美尔人创造了楔形文字，埃及人创造了象形文字，这可以说是最古老的通信方式。而中国古代的烽火台那么是无线通信的鼻祖。现代意义上的通信是在发现了电现象之后，1793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路。据说两兄弟是第一个使用“电报这个词的人。现代意义上的无线通信是从莫尔斯开始，1844年5月24日，在座无虚席的国会大厦里，莫尔斯用他那冲动得有些颤抖的双手，操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹！。现在，通信产业仍然处在蓬勃开展阶段，各种新的技术日新月异，层出不穷。,3,、通信技术,2024/8/26,63,众所周知，移动通信是在20世纪80年代开始开展起来的，移动通信开展速度远超过固定网络，已得到相当的普及。全球移动通信用户已经超过4亿。人们对移动通信的需求推动了移动通信开展，至今移动通信已经走过了二代，即80年代的第一代模拟技术和90年代的第二代窄带数字技术。近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以CDMA为根底，以宽带化通信为特征的第三代3G技术开展。,3,、通信技术,移动通信,2024/8/26,64,移动通信系统的开展历程,3,、通信技术,移动通信,2024/8/26,65,支撑互联网的根底是光纤通信。光通信的开展呈现了以下几个开展趋势：,1、光通信研究的重点已经从大容量、超高速转变为智能化、自动化的实现。自动交换光网络ASON就是在这个大背景下产生的。ASON网络的最大优点就是实现了以往光网络复杂、冗余的人工连接指配，取之为简单、便利的自动电路配置。ASON的引入，可以说是光通信开展历史的里程碑。,2、光网络的边缘化也是光通信开展的另一个趋势。长久以来，光网络都是作为整个通信体系中的最底层传输层。但是，随着通信行业的迅速开展，城域网、接入网也越来越希望引入光网络，于是，光网络的开展从核心网正在向边缘网络开展。,光通信经过了前几年的低谷以后，现在正处于一个艰难的上升阶段。,3,、通信技术,光纤通信,2024/8/26,66,1945年，英国的科幻小学作家阿瑟C克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电通信和无线电播送的设想，这位作家在?无线电杂志?上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。,1957年10月4日，原联苏成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。,根据运行轨道的高度不同，可将人造地球卫星分为三种类型：,1低高度卫星小于5000km,2中高度卫星5000km,3高高度卫星大于20000km,6,、通信技术,3,、通信技术,卫星通信,2024/8/26,67,覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球,频带宽,容量大,机动性好,不受地理条件限制,通信可靠性高,质量好,稳定,费用与距离无关,有多址能力,组网灵活,可实现区域及全球个人移动通信,3,、通信技术,卫星通信,卫星通信的特点,2024/8/26,68,同步通信卫星向大容量,多波束,智能化开展,低轨卫星群与蜂窝技术相结合,实现全球个人通信,小型卫星通信地面站(VSAT)广泛应用,电视直播(DVB)和数字声播送(DAB)步入家庭和个人用户,多媒体通信和因特网接入,微小卫星和纳卫星,3,、通信技术,卫星通信,卫星通信开展趋势,2024/8/26,69,利用生物分子信息材料装配电子元件和仪器的技术，美国国防高级研究方案局(DARPA)把它看成是能使未来作战发生革命性变化的技术之一。目前，进展较快的是光学开关模式的生物分子器件。一些实验室已经制造出这种模式的并行处理器件、三维数据存储器、神经网络等原型器件。在未来几十年内，有可能研制出可装入计算机的高密度生物电子存储器，以及基于细菌视紫红质的其他一些器件(如神经网络、人工智能所必须的关联存储器等)。,近年来，各国军方仿生技术的研究包括：飞机、舰艇设计的进一步优化；雷达、声纳和导航、测控装置的全面改进；一些新通信设备、新侦察装备和新兵器的研制；以及模仿天然生物材料的质地、结构和功能来制造硬度与韧性更大、强度更高、质量更轻和更加耐用的装甲材料及其他材料等方面进行。,4,生物分子电子技术,2024/8/26,70,纳米技术是一门新兴技术，使人类最终能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制。,有人曾这么说，21世纪将是纳米世纪。据预测，单原子、单分子存储操作技术可能于2007年开发成功，单电子晶体管集成电路2021年将实用化，量子功能电子技术的开展将可能导致单量子计算机和量子波计算机、单量子通信设备和量子波通信设备、家用量子设备等的普遍出现，使所有的电子设备体积和能耗大为缩小。,微电子技术与机电技术相结合，和纳米电子学同时伴生的以硅材料为根底的微机电系统技术，作为当今最具革命性的新科学，已经引起世界各国科学家、政府和军队的高度重视，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量将产生深远影响，并即将形成难以估量的庞大的高技术市场，其规模之大，可能超过微电子芯片产业，成为世界十大科学技术之一。,5,纳米电子技术,2024/8/26,71,2024/8/26,72,纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线。纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等根本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。,从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件开展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要开展新的理论，并探索出相应的材料和技术。,生物芯片技术是利用大规模集成电路制造技术在硅等基片上制造包括数十万个不同生物微检测单元的微流体传感系统的技术。微电子技术和生物技术结合，将研制出有机与无机相结合、硅片与生物材料结合的生物硅片，具有集成度高、功耗低等特点，必将对现代高科技产品产生重大影响。,此外，以砷化镓等为代表的一批新型半导体材料将逐步走向实用化，可在高温、强辐射条件下正常工作。微电子技术和电真空技术相结合产生的真空微电子技术，可能在超高速处理技术中发挥重大作用。,6,生物芯片技术,2024/8/26,73,目前完全依靠电子技术实现的某些功能将随着光波导和光子技术的应用得以加强。光纤通信和光子连接技术将更加成熟，光交换设备