第7讲 芯片设计与制造

第7讲 芯片设计与制造

　　第7讲 芯片设计与制造

华为制造芯片,美国芯片制造器,华为不制造芯片　　称为系统级芯片，也有称片上系统，意 一般说来，SoC称为系统级芯片 称为系统级芯片 指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含 完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术， 用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计 的整个过程。 从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系 统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲， SoC是一个 微小型系统。 20世纪90年代中期，因使用ASIC（一种为专门目的而 设计的集成电路 ）实现芯片组受到启发，萌生应该将完整计 算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗硅片上的想法。 这种芯片，初始起名叫System on a Chip(SoC)，直译的中 文名是系统级芯片。

　　华为制造芯片,美国芯片制造器,华为不制造芯片有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实 和 混称， 有时人们会把 混称 其实CMOS是主板上的 是主板上的 一块可读写的RAM芯片，是用来保存 芯片， 一块可读写的 芯片 是用来保存BIOS的硬件配置和用户对 的硬件配置和用户对 某些参数的设定。 可由主板的电池供电， 某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电， 可由主板的电池供电 即使系统掉电， 信息也不会丢失。 本身只是一块存储器， 信息也不会丢失。CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据 本身只是一块存储器 保存功能。 保存功能。 而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设 中各项参数的设定要通过专门的程序。 而对 中各项参数的设定要通过专门的程序 设 置程序一般都被厂商整合在芯片中， 置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键 就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此 设置程序， 就可进入 设置程序 方便地对系统进行设置。因此BIOS 设置有时也被叫做CMOS设置。 设置。 设置有时也被叫做 设置

　　早期的CMOS是一块单独的芯片 早期的 是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装 ， 封装)， 是一块单独的芯片 封装 共有64个字节存放系统信息。 共有 个字节存放系统信息。 个字节存放系统信息 在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材 在今日， 制造工艺也被应用于制作数码影像器材 的感光元件，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。 的感光元件，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。 虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工 虽然在用途上与过去 电路主要作为固件或计算工 具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺， 具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取 的工艺， 的工艺 只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电 能，再透过芯片上的数码─类比转换器（ADC）将获得的影像 再透过芯片上的数码 类比转换器（ ） 类比转换器 讯号转变为数码讯号输出。 讯号转变为数码讯号输出。

　　(3)BLP（Bottom Lead PacKage）底部引交封装 （ ） 樵风（ 封装方式， 樵风（ALUKA）金条的内存颗粒采用特殊的 ）金条的内存颗粒采用特殊的BLP封装方式， 封装方式 该封装技术在传统封装技术的基础上采用一种逆向电路， 该封装技术在传统封装技术的基础上采用一种逆向电路，由底部直 接伸出引脚，其优点就是能节省约90%电路，使封装尺寸电阻及芯 电路， 接伸出引脚，其优点就是能节省约 电路 片表面温度大幅下降。 片表面温度大幅下降。 和传统的TSOP封装的内存颗粒相比，其芯片面积与填充装面 封装的内存颗粒相比， 和传统的 封装的内存颗粒相比 积之比大于1： ，明显要小很多，不仅高度和面积极小， 积之比大于 ：1.1，明显要小很多，不仅高度和面积极小，而且电 气特性得到了进一步的提高，制造成本也不高， 气特性得到了进一步的提高，制造成本也不高，BLP封装与 封装与 KINGMAX的TINY-BGA封装比较相似，BLP的封装技术使得电阻 封装比较相似， 的 封装比较相似 的封装技术使得电阻 值大幅下降，芯片温度也大幅下降，可稳定工作的频率更高。 值大幅下降，芯片温度也大幅下降，可稳定工作的频率更高。

　　80286，80386CPU则采用了 ， 塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平 则采用了QFP塑料方型扁平式封装和 塑料方型扁平式封装和 塑料扁平 组件式封装。 组件式封装。 QFP（Plastic Quad Flat Package）封装的芯片引脚之间距离很小， （ ）封装的芯片引脚之间距离很小， 管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式， 管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数 一般在100个以上。 个以上。 一般在 个以上 用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与 （表面安装设备技术） 用这种形式封装的芯片必须采用 主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面 安装的芯片不必在主板上打孔， 主板焊接起来。采用 安装的芯片不必在主板上打孔 上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点， 上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与 主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片， 主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下 来的。 来的。 相似的PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与 （ 相似的 ）方式封装的芯片与QFP方式基本 方式基本 相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以 相同。唯一的区别是 一般为正方形， 既可以是正方形， 一般为正方形 既可以是正方形 是长方形。 封装适用于SMD表面安装技术在 表面安装技术在PCB电路板上安装布 是长方形。QFP/PFP封装适用于 封装适用于 表面安装技术在 电路板上安装布 线以及高频使用，可靠性较高，封装面积也比较小。 线以及高频使用，可靠性较高，封装面积也比较小。

　　CPU封装是 封装是CPU生产过程中的最后一道工序，封装是采用特 生产过程中的最后一道工序， 封装是 生产过程中的最后一道工序 定的材料将CPU芯片或 芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施， 模块固化在其中以防损坏的保护措施， 定的材料将 芯片或 模块固化在其中以防损坏的保护措施 一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。 才能交付用户使用。 一般必须在封装后 才能交付用户使用 CPU的封装方式取决于 的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大 安装形式和器件集成设计， 的封装方式取决于 安装形式和器件集成设计 的分类来看通常： 的分类来看通常： 采用Socket插座进行安装的 插座进行安装的CPU使用 使用PGA(栅格阵列 方式封 栅格阵列)方式封 采用 插座进行安装的 使用 栅格阵列 而采用Slot x槽安装的 槽安装的CPU则全部采用 则全部采用SEC(单边接插盒 的形 单边接插盒)的形 装，而采用 槽安装的 则全部采用 单边接插盒 式封装。 式封装。 现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic 现在还有 、 Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，目前 等封装技术。 等封装技术 由于市场竞争日益激烈， CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。 封装技术的发展方向以节约成本为主。 封装技术的发展方向以节约成本为主

　　(4)SIMM（single in-line memory module）单内置内存模型 （ ） SIMM模块包括了一个或多个 模块包括了一个或多个RAM芯片，这些芯片在一块小的 芯片， 模块包括了一个或多个 芯片 集成电路板上，利用电路板上的引脚与计算机的主板相连接。 集成电路板上，利用电路板上的引脚与计算机的主板相连接。因为 用户需要对内存进行扩展，只需要加入一些新的SIMM就可以了。 就可以了。 用户需要对内存进行扩展，只需要加入一些新的 就可以了 SIMM根据内存颗粒分布可以分为单面内存和双面内存，一般的容 根据内存颗粒分布可以分为单面内存和双面内存， 根据内存颗粒分布可以分为单面内存和双面内存 量为1、 、 内存都是单面的， 量为 、4、16MB的SIMM内存都是单面的，更大的容量的 的 内存都是单面的 更大的容量的SIMM内 内 存是双面的。 线 内存条出现较早， 存是双面的。30线SIMM内存条出现较早，根据当时的技术需要， 内存条出现较早 根据当时的技术需要， 只支持8位的数据传输 如要支持32位就必须要有四条 位的数据传输， 位就必须要有四条30线 只支持 位的数据传输，如要支持 位就必须要有四条 线SIMM 内存条。这种内存条多用在386或早期的 或早期的486主板上。72线SIMM内 主板上。 线 内存条。这种内存条多用在 或早期的 主板上 内 存条可支持32位的数据传输 位的数据传输， 主板基本上都提供的是72线 存条可支持 位的数据传输，在586主板基本上都提供的是 线 主板基本上都提供的是 SIMM内存插槽。需要注意的是，Pentium处理器的数据传输是 内存插槽。 处理器的数据传输是64 内存插槽 需要注意的是， 处理器的数据传输是 位的，现在采用Intel的Triton或Triton Ⅱ芯片组的 芯片组的586主板需要成 位的，现在采用 的 或 主板需要成 对的使用这种内存条；而采用SIS芯片组的 芯片组的586主板由于 主板由于SIS芯片采 对的使用这种内存条；而采用 芯片组的 主板由于 芯片采 用了一些特殊的技术，能够使用单条的72线内存条 线内存条。 用了一些特殊的技术，能够使用单条的 线)Tiny-BGA（Tiny Ball Grid Array）小型球栅阵列封装 （ ） TinyBGA英文全称为 英文全称为Tiny Ball Grid Array（小型球栅阵列封 英文全称为 （ ），属于是 属于是BGA封装技术的一个分支。 封装技术的一个分支。 装），属于是 封装技术的一个分支 它是Kingmax公司于 公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装 月开发成功的， 它是 公司于 年 月开发成功的 面积之比不小于1:1.14，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提 面积之比不小于 ， 封装产品相比， 高2～3倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热 ～ 倍 封装产品相比 其具有更小的体积、 性能和电性能。采用TinyBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下 性能和电性能。采用 封装技术的内存产品在相同容量情况下 体积只有TSOP封装的 。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出 封装的1/3。 体积只有 封装的 封装内存的引脚是由芯片四周引出 则是由芯片中心方向引出。 的，而TinyBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信 则是由芯片中心方向引出 号的传导距离，信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的 ，因此 技术的1/4， 号的传导距离，信号传输线的长度仅是传统的 技术的 信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、 信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性 而且提高了电性能。采用TinyBGA封装芯片可抗高达 封装芯片可抗高达300MHz的 能，而且提高了电性能。采用 封装芯片可抗高达 的 外频，而采用传统TSOP封装技术最高只可抗 封装技术最高只可抗150MHz的外频。 的外频。 外频，而采用传统 封装技术最高只可抗 的外频 TinyBGA封装的内存其厚度也更薄（封装高度小于 封装的内存其厚度也更薄（ ），从金 封装的内存其厚度也更薄 封装高度小于0.8mm），从金 ）， 属基板到散热体的有效散热路径仅有0.36mm。因此，TinyBGA内存 属基板到散热体的有效散热路径仅有 。因此， 内存 拥有更高的热传导效率，非常适用于长时间运行的系统，稳定性极佳。 拥有更高的热传导效率，非常适用于长时间运行的系统，稳定性极佳。

　　当前芯片设计业正面临着一系列的挑战，系统芯片 当前芯片设计业正面临着一系列的挑战，系统芯片SoC已经 已经 成为IC设计业界的焦点 设计业界的焦点， 性能越来越强， 成为 设计业界的焦点，SoC性能越来越强，规模越来越大。 性能越来越强 规模越来越大。 SoC芯片的规模一般远大于普通的 芯片的规模一般远大于普通的ASIC，同时由于深亚微米工艺 芯片的规模一般远大于普通的 ，同时由于深亚微米工艺 带来的设计困难等，使得SoC设计的复杂度大大提高。 设计的复杂度大大提高。 带来的设计困难等，使得 设计的复杂度大大提高 设计中， 设计流程中最复杂、 在SoC设计中，仿真与验证是 设计中 仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗 设计流程中最复杂 时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80%，采用先进的设 时的环节，约占整个芯片开发周期的 ～ ， 计与仿真验证方法成为SoC设计成功的关键。 设计成功的关键。 计与仿真验证方法成为 设计成功的关键 SoC技术的发展趋势是基于 技术的发展趋势是基于SoC开发平台，基于平台的设计 开发平台， 技术的发展趋势是基于 开发平台 是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法， 是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享 IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、 核开发与系统集成成果， 核开发与系统集成成果 不断重整价值链，在关注面积、延迟、 功耗的基础上，向成品率、可靠性、 噪声、成本、 功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI 噪声、成本、易用性等 转移，使系统级集成能力快速发展。 转移，使系统级集成能力快速发展。 当前无论在国外还是国内， 当前无论在国外还是国内，在SoC设计领域已展开激烈的竞 设计领域已展开激烈的竞 争。

　　一、什么是SoC 什么是 什么是CMOS 二、什么是 三、芯片的封装技术 四、国内芯片设计制造的研究现状

　　(8)CSP（Chip Scale Package）芯片级封装 （ ） CSP，全称为 ，全称为Chip Scale Pack-age，即芯片尺寸封装的意思。 ，即芯片尺寸封装的意思。 它是BGA、TSOP的基础上发展的。CSP封装可以让芯片面积与封 的基础上发展的。 它是 、 的基础上发展的 封装可以让芯片面积与封 装面积之比超过1∶ 的理想情况， 装面积之比超过 ∶1.14，已经相当接近 ∶1的理想情况，绝对尺 ，已经相当接近1∶ 的理想情况 寸也仅有32平方毫米 约为普通的BGA的1/3，仅仅相当于 平方毫米， 寸也仅有 平方毫米，约为普通的 的 ，仅仅相当于TSOP 内存芯片面积的1/6。 内存芯片面积的 。 封装相比， 封装可以将存储容量提高3 与BGA封装相比，同等空间下 封装相比 同等空间下CSP封装可以将存储容量提高 封装可以将存储容量提高 封装内存不但体积小， 倍。CSP封装内存不但体积小，同时也更薄，其金属基板到散热体 封装内存不但体积小 同时也更薄， 的最有效散热路径仅有0.2毫米 毫米， 的最有效散热路径仅有 毫米，大大提高了内存芯片在长时间运 行后的可靠性。 行后的可靠性。 相比CSP封装的电气性能和可靠性也有相当大 与BGA、TOSP相比 、 相比 封装的电气性能和可靠性也有相当大 的提高。并且，在相同的芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显要 的提高。并且，在相同的芯片面积下 所能达到的引脚数明显要 引脚数多得多， 比TSOP、BGA引脚数多得多，这样它可支持 端口的数目就增 、 引脚数多得多 这样它可支持I/O端口的数目就增 加了很多。此外， 加了很多。此外，CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效缩短了信 封装内存芯片的中心引脚形式有效缩短了信 号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、 号的传导距离，其衰减随之减少，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得 到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比 的存取时间比BGA改善 改善15%～20%。 到大幅提升，这也使得 的存取时间比 改善 ～ 。

　　集成电路的发展已有40 年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规 律推进，现已进入深亚微米阶段。 由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工 （集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和 面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃 至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电 在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电 子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。 子系统 在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一 芯片上实现。SoC ( System - on - Chip)设计技术始于20世纪90年 代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂 的功能集成到单硅片上，SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转 变的大方向下产生的。

　　内存颗粒的封装方式最常见的有SOJ、TSOP II、Tiny、 内存颗粒的封装方式最常见的有 、 BGA、BLP、BGA等封装，而未来趋势则将向 等封装， 发展。 、 、 等封装 而未来趋势则将向CSP发展。 发展 (1)SOJ（Small Out-Line J-Lead）小尺寸 形引脚封装 （ ）小尺寸J形引脚封装 SOJ封装方式是指内存芯片的两边有一排小的 形引脚，直 封装方式是指内存芯片的两边有一排小的J形引脚 封装方式是指内存芯片的两边有一排小的 形引脚， 接黏着在印刷电路板的表面上。 接黏着在印刷电路板的表面上。它是一种表面装配的打孔封装 技术，针脚的形状就像字母J，由此而得名。SOJ封装一般应 技术，针脚的形状就像字母 ，由此而得名。 封装一般应 用在EDO DRAM。 用在 。

　　CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）， （ ）， 指互补金属氧化物(PMOS管和 管和NMOS管)共同构成的互补型 共同构成的互补型MOS集 指互补金属氧化物 管和 管 共同构成的互补型 集 成电路制造工艺，它的特点是低功耗。 成电路制造工艺，它的特点是低功耗。 在计算机领域， 常指保存计算机基本启动信息(如日期 在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息 如日期、 常指保存计算机基本启动信息 如日期、 时间、启动设置等)的芯片 的芯片。 时间、启动设置等 的芯片。 CMOS本意是指互补金属氧化物半导体存储器，是一种大规模 本意是指互补金属氧化物半导体存储器， 本意是指互补金属氧化物半导体存储器 应用于集成电路芯片制造的原料)是微机主板上的一块可读写的 是微机主板上的一块可读写的RAM 应用于集成电路芯片制造的原料 是微机主板上的一块可读写的 芯片， 芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的 设定。 芯片由系统通过一块后备电池供电， 设定。CMOS RAM芯片由系统通过一块后备电池供电，因此无论是 芯片由系统通过一块后备电池供电 在关机状态中，还是遇到系统掉电情况， 信息都不会丢失。 在关机状态中，还是遇到系统掉电情况，CMOS信息都不会丢失。 信息都不会丢失 由于CMOS RAM芯片本身只是一块存储器，只具有保存数据的 芯片本身只是一块存储器， 由于 芯片本身只是一块存储器 功能，所以对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序。早期的 中各项参数的设定要通过专门的程序。 功能，所以对 中各项参数的设定要通过专门的程序 CMOS设置程序驻留在软盘上的 如IBM的PC/AT机型 ，使用很不方 设置程序驻留在软盘上的(如 机型)， 设置程序驻留在软盘上的 的 机型 现在多数厂家将CMOS设置程序做到了 BIOS芯片中，在开机时 芯片中， 便。现在多数厂家将 设置程序做到了 芯片中 通过按下某个特定键就可进入CMOS设置程序而非常方便地对系统 通过按下某个特定键就可进入 设置程序而非常方便地对系统 进行设置，因此这种CMOS设置又通常被叫做 设置又通常被叫做BIOS设置。 设置。 进行设置，因此这种 设置又通常被叫做 设置

　　(5)DIMM（dual in-line memory module）双内置存储模型 （ ） DIMM模块是目前最常见的内存模块，它是也可以说是两个 模块是目前最常见的内存模块， 模块是目前最常见的内存模块 它是也可以说是两个SIMM。 。 它是包括有一个或多个RAM芯片在一个小的集成电路板上，利用这块 芯片在一个小的集成电路板上， 它是包括有一个或多个 芯片在一个小的集成电路板上 电路板上的一些引脚可以直接和计算机主板相连接。一个DIMM有168 电路板上的一些引脚可以直接和计算机主板相连接。一个 有 引脚，这种内存条支持64位的数据传输 位的数据传输。 引脚，这种内存条支持 位的数据传输。DIMM是目前我们使用的内存 是目前我们使用的内存 的主要封装形式，比如SDRAM、DDR SDRAM、RDRAM，其中 的主要封装形式，比如 、 、 ， SDRAM具有 具有168线引脚并且提供了 线bit数据寻址能力。DIMM的工作 数据寻址能力。 具有 线引脚并且提供了 数据寻址能力 的工作 电压一般是3.3v或者 ，并且分为 或者5v，并且分为unbuffered和buffered两种。而 两种。 电压一般是 或者 和 两种 SIMM和DIMM内存之间不仅仅是引脚数目的不同，另外在电气特性、 内存之间不仅仅是引脚数目的不同， 和 内存之间不仅仅是引脚数目的不同 另外在电气特性、 封装特点上都有明显的差别，特别是它们的芯片之间的差别相当的大。 封装特点上都有明显的差别，特别是它们的芯片之间的差别相当的大。 因为按照原来内存制造方法，制造这种内存的时候是不需要把64个芯 因为按照原来内存制造方法，制造这种内存的时候是不需要把 个芯 片组装在一起构成一个64bit的模块的，得益于今年来生产工艺的提高 的模块的， 片组装在一起构成一个 的模块的 和改进，现在的高密度DRAM芯片可以具有不止一个 芯片可以具有不止一个Din和Dout信号 和改进，现在的高密度 芯片可以具有不止一个 和 信号 引脚，并且可以根据不同的需要在DRAM芯片上制造 、8、16、32或 芯片上制造4、 、 、 或 引脚，并且可以根据不同的需要在 芯片上制造 条数据引脚。 级以上的处理器是64位总线条数据引脚。在Pentium级以上的处理器是 位总线，使用这样 条数据引脚 级以上的处理器是 位总线， 的内存更能发挥处理器的性能。 的内存更能发挥处理器的性能。

　　(2)PGA(Pin Grid Array)引脚网格阵列封装 引脚网格阵列封装 PGA封装也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin 封装也叫插针网格阵列封装技术（ 封装也叫插针网格阵列封装技术 Grid Arrau Package），目前 ），目前 ），目前CPU的封装方式基本上是 的封装方式基本上是 采用PGA封装，在芯片下方围着多层方阵形的插针，每个 封装， 采用 封装 在芯片下方围着多层方阵形的插针， 方阵形插针是沿芯片的四周，间隔一定距离进行排列的， 方阵形插针是沿芯片的四周，间隔一定距离进行排列的， 根据管脚数目的多少，可以围成2～ 圈 根据管脚数目的多少，可以围成 ～5圈。它的引脚看上去 呈针状，是用插件的方式和电路板相结合。安装时， 呈针状，是用插件的方式和电路板相结合。安装时，将芯 片插入专门的PGA插座。PGA封装具有插拔操作更方便， 插座。 封装具有插拔操作更方便， 片插入专门的 插座 封装具有插拔操作更方便 可靠性高的优点，缺点是耗电量较大。 可靠性高的优点，缺点是耗电量较大。 的芯片开始， 从486的芯片开始，出现的一种 的芯片开始 出现的一种ZIF(Zero Insertion Force Socket，零插拔力的插座）的CPU插座，使用该 插座， ，零插拔力的插座） 插座 封装技术的CPU可以很容易、轻松地插入插座中，然后将 可以很容易、 封装技术的 可以很容易 轻松地插入插座中， 搬手压回原处，利用插座本身的特殊结构产生的挤压力， 搬手压回原处，利用插座本身的特殊结构产生的挤压力， 的管脚与插座牢牢的接触， 将CPU的管脚与插座牢牢的接触，绝对不会存在接触不良 的管脚与插座牢牢的接触 的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的搬手轻轻抬起，则 芯片只需将插座的搬手轻轻抬起， 的问题。而拆卸 芯片只需将插座的搬手轻轻抬起 压力解除， 芯片即可轻松取出。 压力解除，CPU芯片即可轻松取出。 专门用来安装和拆 芯片即可轻松取出 封装的CPU。 卸PGA封装的 封装的 。

　　(1)早期 早期CPU封装方式 早期 封装方式 CPU封装方式可追朔到 封装方式可追朔到8088时代，这 时代， 封装方式可追朔到 时代 一代的CPU采用的是 采用的是DIP双列直插式封装。 双列直插式封装。 一代的 采用的是 双列直插式封装 DIP(DualIn－line Package)是指采用双列直插形式封装的集成电路 － 是指采用双列直插形式封装的集成电路 芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数 芯片，绝大多数中小规模集成电路 均采用这种封装形式， 均采用这种封装形式 一般不超过100个。采用DIP封装的 一般不超过 个 采用 封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到 芯片有两排引脚， 封装的 芯片有两排引脚 具有DIP结构的芯片插座上。 具有 结构的芯片插座上。 结构的芯片插座上 当然， 当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊 接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心 这种封装适合在PCB(印刷电路板 上穿孔焊接，操作方便，但芯片面积 这种封装适合在 印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便， 印刷电路板 上穿孔焊接 与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。 与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。 DIP封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插 封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式 ， 封装结构形式有 式DIP，引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低 ，引线框架式 （含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式， 熔玻璃封装式）等。 熔玻璃封装式）

　　SoC定义的基本内容主要表现在两方面： 其一是它的构成，其二是它形成过程。 系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理 器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的 存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模 拟前端模块、电源提供和功耗管理模块，对于一个无线SoC还有 射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及 微电子机械模块，更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件 (RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。

　　(6)TSOP（Thin Small Outline Package）薄型小尺寸封装。 （ ）薄型小尺寸封装。 TSOP内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做 内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做 出引脚，如SDRAM内存的集成电路两侧都有引脚，SGRAM内存 出引脚， 内存的集成电路两侧都有引脚， 内存 内存的集成电路两侧都有引脚 的集成电路四面都有引脚。TSOP适合用 的集成电路四面都有引脚。 适合用SMT技术（表面安装技术） 技术（表面安装技术） 适合用 技术 在PCB（印制电路板）上安装布线。TSOP封装外形尺寸时，寄生 （印制电路板）上安装布线。 封装外形尺寸时， 封装外形尺寸时 参数(电流大幅度变化时，引起输出电压扰动) 减小，适合高频应用， 参数 电流大幅度变化时，引起输出电压扰动 减小，适合高频应用， 电流大幅度变化时 操作比较方便，可靠性也比较高。改进的TSOP技术目前广泛应用 操作比较方便，可靠性也比较高。改进的 技术目前广泛应用 于SDRAM内存的制造上，不少知名内存制造商如三星、现代、 内存的制造上，不少知名内存制造商如三星、现代、 内存的制造上 Kingston等目前都在采用这项技术进行内存封装。不过，TSOP封 等目前都在采用这项技术进行内存封装。不过， 封 等目前都在采用这项技术进行内存封装 装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊接在PCB板上的，焊点和 装方式中，内存芯片是通过芯片引脚焊接在 板上的， 板上的 PCB板的接触面积较小，使得芯片向PCB办传热就相对困难。而 板的接触面积较小，使得芯片向 办传热就相对困难。 板的接触面积较小 办传热就相对困难 且TSOP封装方式的内存在超过 封装方式的内存在超过150MHz后，会产品较大的信号干 后 封装方式的内存在超过 扰和电磁干扰。 扰和电磁干扰。

　　具体地说， SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP 核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设 计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等，此外还 要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。

　　用SoC 技术设计系统芯片，一般先要进行软硬件划分，将设 计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计 芯片硬件设计和软件协同设计。芯片硬件设 芯片硬件设计和软件协同设计 计包括： (1)功能设计阶段。 功能设计阶段。 功能设计阶段 设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、 接口规格、环境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时 的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分，哪些 功能该整合于SOC 内，哪些功能可以设计在电路板上。 (2)设计描述和行为级验证 设计描述和行为级验证 能设计完成后，可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块， 并决定实现这些功能将要使用的IP 核。此阶段将接影响了SOC 内部的架构及各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。决定 模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的 设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功 能验证。

　　(2)PQFP（Plastic Quad Flat Package）塑料方型扁平式封装 （ ） PQFP封装的芯片的四周均有引脚，其引脚数一般都在 封装的芯片的四周均有引脚， 封装的芯片的四周均有引脚 其引脚数一般都在100以 以 而且引脚之间距离很小，管脚也很细， 上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模 集成电路采用这种封装形式。 集成电路采用这种封装形式。用这种形式封装的芯片必须采用 SMD（表面安装设备技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。 （表面安装设备技术）将芯片边上的引脚与主板焊接起来。 采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设 安装的芯片不必在主板上打孔， 采用 安装的芯片不必在主板上打孔 计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点， 计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与 主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片， 主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难 拆卸下来的。 封装适用于SMD表面安装技术在 表面安装技术在PCB上安装布 拆卸下来的。PQFP封装适用于 封装适用于 表面安装技术在 上安装布 适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、 线，适合高频使用，它具有操作方便、可靠性高、芯片面积与封装 面积比值较小等优点。 的缺点也很明显： 面积比值较小等优点。但PQFP的缺点也很明显：为了适应电路组 的缺点也很明显 装密度的进一步提高， 的引脚间距不断缩小， 引脚数不断 装密度的进一步提高，PQFP的引脚间距不断缩小，I/O引脚数不断 的引脚间距不断缩小 增加，封装体积也不断加大，这给电路组装生产带来了许多困难， 增加，封装体积也不断加大，这给电路组装生产带来了许多困难， 导致成品率下降和组装成本的提高。 导致成品率下降和组装成本的提高。

　　(3)S．E．E．C．（单边接插卡盒）封装 ． ． ． ．（单边接插卡盒） ．（单边接插卡盒 S.E.C.C：SEEC是Single Edge Contact Cartridge缩写， 缩写， ： 是 缩写 是单边接触卡盒的缩写。为了与主板连接， 是单边接触卡盒的缩写。为了与主板连接，处理器被插入一个插 它不使用针脚，而是使用“金手指”触点， 槽。它不使用针脚，而是使用“金手指”触点，处理器使用这些 触点来传递信号。 被一个金属壳覆盖， 触点来传递信号。S.E.C.C. 被一个金属壳覆盖，这个壳覆盖了整 个卡盒组件的顶端。卡盒的背面是一个热材料镀层， 个卡盒组件的顶端。卡盒的背面是一个热材料镀层，充当了散热 内部， 器。S.E.C.C. 内部，大多数处理器有一个被称为基体的印刷电路 板连接起处理器、二级高速缓存和总线终止电路。 板连接起处理器、二级高速缓存和总线终止电路。S.E.C.C. 封装 个触点的英特尔奔腾II 用于有 242 个触点的英特尔奔腾 处理器和有 330 个触点的奔腾 II 至强和奔腾 III 至强处理器。 至强处理器。 (4)S．E．E．C．2封装 ． ． ． ． 封装 S.E.C.C.2 封装与 S.E.C.C. 封装相似，除了 封装相似，除了S.E.C.C.2 使用 更少的保护性包装并且不含有导热镀层。 更少的保护性包装并且不含有导热镀层。S.E.C.C.2 封装用于一 些较晚版本的奔腾II 处理器（ 触点）。 些较晚版本的奔腾 处理器和奔腾 III 处理器（242 触点）。

　　芯片组的南北桥芯片、显示芯片以及声道芯片等等， 芯片组的南北桥芯片、显示芯片以及声道芯片等等，主 要采用的封装方式是BGA或PQFP封装。 封装。 要采用的封装方式是 或 封装 (1)BGA（Ball Grid Array）球状矩阵排列封装 （ ）

　　BGA封装技术又可详分为五大类： 封装技术又可详分为五大类： 封装技术又可详分为五大类 PBGA（Plasric BGA）基板：一般为 层有机材料构成的多层板， 层有机材料构成的多层板， （ ）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板 是塑针栅格阵列的缩写，这些处理器具有插入插座的针脚。 是塑针栅格阵列的缩写，这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热 传导性， 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器， 传导性，PPGA 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器，芯片底部的针 脚是锯齿形排列的。此外， 脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式 插入插座。 系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装 插入插座。Intel系列 系列 中 、 、 处理器均采用这种封装 形式。 形式。 CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气 （ ）基板：即陶瓷基板， 连接通常采用倒装芯片（ 连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称 ）的安装方式。Intel系列 ，简称FC）的安装方式。 系列 CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。 中 、 、 处理器均采用过这种封装形式。 处理器均采用过这种封装形式 FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。 （ ）基板：硬质多层基板。 TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的 层PCB电路板。 电路板。 （ ）基板：基板为带状软质的1-2层 电路板 CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封装中央有方型低陷的 （ ）基板： 芯片区（又称空腔区）。 芯片区（又称空腔区）。 BGA封装的 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装 封装的I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于 封装 封装的 引脚数虽然增多 方式，提高了成品率。而虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌 的功耗增加， 方式，提高了成品率。而虽然 的功耗增加 陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能，另外，它的信号传输延迟小， 陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能，另外，它的信号传输延迟小， 适应频率大大提高以及组装可用共面焊接，可靠性大大提高。 适应频率大大提高以及组装可用共面焊接，可靠性大大提高。

　　(3)逻辑综合 逻辑综合 确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具进行综合。综合 过程中，需要选择适当的逻辑器件库，作为合成逻辑电路时的参考 依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率 的一个重要因素。事实上，综合工具支持的HDL 语法均是有限的， 一些过于抽象的语法只适于做为系统评估时的仿真模型，而不能被 综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。 (4)门级验证 门级验证 门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综 合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具 完成。注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。 (5)布局和布线 布局和布线 布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们 的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意，各模块之间 的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能， 尤其在0.25 微米制程以上，这种现象更为显著。

　　很多人对CPU内存以及芯片组封装并不了解。其实，所谓封装就 内存以及芯片组封装并不了解。其实， 很多人对 内存以及芯片组封装并不了解 是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、 是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密 保持芯片和增强电热性能的作用， 封、保持芯片和增强电热性能的作用，而且芯片上的接点用导线连接 到封装外壳的引脚上， 到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建 立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。 立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界 隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。 隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。 另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。 另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。 由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连 接的PCB(印制电路板 的设计和制造，因此它是至关重要的。 因此， 印制电路板)的设计和制造 接的 印制电路板 的设计和制造，因此它是至关重要的。 因此， 封装对CPU以及其他芯片都有着重要的作用。 以及其他芯片都有着重要的作用。 封装对 以及其他芯片都有着重要的作用 封装时主要考虑的因素： 封装时主要考虑的因素： (1)芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近 ：1。 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率， 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率 尽量接近1： 。 (2)引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不 引脚要尽量短以减少延迟， 引脚要尽量短以减少延迟 引脚间的距离尽量远， 干扰，提高性能。 干扰，提高性能。 (3)基于散热的要求，封装越薄越好。 基于散热的要求， 基于散热的要求 封装越薄越好。

　　相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有一下优点： 相对于其他逻辑系列， 逻辑电路具有一下优点： 逻辑电路具有一下优点 (1)允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计 允许的电源电压范围宽， 允许的电源电压范围宽 (2)逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强 逻辑摆幅大， 逻辑摆幅大 (3)静态功耗低 静态功耗低 (4)隔离栅结构使 隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大，从而使 期间的输入电阻极大， 隔离栅结构使 期间的输入电阻极大 CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多 期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多

　　系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面： 1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证； 2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发 和研究IP核生成及复用技术，特别是大容量的存储模块嵌入的重 复应用等； 3) 超深亚微米(UDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。 (UDSM)

　　龙芯（英语： 龙芯（英语：Loongson，旧称 ，旧称GODSON[1]）是中国科学院计算所自 ） 主开发的通用CPU，采用简单指令集，类似于 指令集。 主开发的通用 ，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。 指令集 龙芯一号的速度是266MHz，最早在2002年开始使用。龙芯一号 ，最早在 年开始使用。 龙芯一号的速度是 年开始使用 龙芯一号CPU IP核是兼顾通用及嵌入式 核是兼顾通用及嵌入式CPU特点的 位处理器内核，采用类 特点的32位处理器内核 核是兼顾通用及嵌入式 特点的 位处理器内核，采用类MIPS III指令 指令 具有七级流水线、 位整数单元和 位浮点单元。龙芯一号CPU IP核 位整数单元和64位浮点单元 集，具有七级流水线位整数单元和 位浮点单元。龙芯一号 核 具有高度灵活的可配置性，方便集成的各种标准接口。 具有高度灵活的可配置性，方便集成的各种标准接口。 龙芯2号速度最高为 龙芯 号速度最高为1GHz。龙芯二号 号速度最高为 。龙芯二号CPU 采用先进的四发射超标量超 流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64KB，片外二级高速缓存最多 流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各 ， 可达8MB.最高频率为 最高频率为1000MHz，功耗为 瓦，远远低于国外同类芯片， 可达 最高频率为 ，功耗为3-5瓦 远远低于国外同类芯片， 测试程序的实测性能是1.3GHz的威盛处理器的 倍， 的威盛处理器的2-3倍 其SPEC CPU2000测试程序的实测性能是 测试程序的实测性能是 的威盛处理器的 已达到中等Pentium4水平。 水平。 已达到中等 水平 龙芯3号还未有成品，而设计的目标则在多核心的设计。 龙芯 号还未有成品，而设计的目标则在多核心的设计。目前中科院有 号还未有成品 研发以龙芯为处理器的超级计算机计划。 龙芯3号 研发以龙芯为处理器的超级计算机计划。 “龙芯 号”将是一款多核处理 至少也是一款四核的产品，并增加专门服务于Java程序的协处理器， 程序的协处理器， 器，至少也是一款四核的产品，并增加专门服务于 程序的协处理器 以提高Linux环境下 环境下Java程序的执行效率，指令缓存追踪技术等。“龙芯 程序的执行效率， 以提高 环境下 程序的执行效率 指令缓存追踪技术等。 龙芯3 最终将实现对内峰值每秒500-1000亿次的计算速度。 亿次的计算速度。 号”最终将实现对内峰值每秒 亿次的计算速度

　　龙芯课题组隶属于中国科学院计算技术研究所，成立于 龙芯课题组隶属于中国科学院计算技术研究所，成立于2001年， 年 经过五年的发展，龙芯课题组不仅在处理器的研制上取得重大成果： 经过五年的发展，龙芯课题组不仅在处理器的研制上取得重大成果： 先后研制出龙芯1号 龙芯2号和龙芯 号增强型处理器（ 号和龙芯2号增强型处理器 先后研制出龙芯 号、龙芯 号和龙芯 号增强型处理器（简称龙芯 2E），目前正进行多核龙芯 号的研制。 ），目前正进行多核龙芯 号的研制。 ），目前正进行多核龙芯3号的研制 为了促进龙芯产业化， 为了促进龙芯产业化，龙芯课题组还派出骨干人员成立了龙芯 技术服务中心和江苏中科龙梦科技有限公司两个实体。 技术服务中心和江苏中科龙梦科技有限公司两个实体。龙芯技术服 务中心主要致力于提供龙芯共性技术服务，夯实龙芯产业化基础； 务中心主要致力于提供龙芯共性技术服务，夯实龙芯产业化基础； 中心最初的骨干人员均来源于龙芯课题组； 中心最初的骨干人员均来源于龙芯课题组；中心秉承龙芯课题组的 宗旨和求实精神，其理念是“竭尽全力，至真至诚” 宗旨和求实精神，其理念是“竭尽全力，至真至诚”。江苏中科龙 梦科技有限公司由江苏梦兰集团有限公司与中国科学院计算技术研 究所共同出资组建而成， 究所共同出资组建而成，主要管理和技术团队骨干由龙芯课题组派 致力于国产龙芯处理器的应用产品开发与推广， 出；致力于国产龙芯处理器的应用产品开发与推广，尤其是满足低 成本计算需求、国家安全计算需求的产品研制和规模产业化。 成本计算需求、国家安全计算需求的产品研制和规模产业化。

　　CMOS是主板上一块可读写的 是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存当前系统的 芯片， 是主板上一块可读写的 芯片 硬件配置信息和用户设定的某些参数。 硬件配置信息和用户设定的某些参数。CMOS RAM由主板上的电 由主板上的电 池供电，即使系统掉电信息也不会丢失。 池供电，即使系统掉电信息也不会丢失。对CMOS中各项参数的设 中各项参数的设 定和更新可通过开机时特定的按键实现（一般是Del键）。 定和更新可通过开机时特定的按键实现（一般是 键 进入BIOS设置程序可对 设置程序可对CMOS进行设置。一般 进行设置。 进入 设置程序可对 进行设置 一般CMOS设置习 设置习 惯上也被叫做BIOS设置。 设置。 惯上也被叫做 设置 CMOS的设置内容大致都包含如下可设置的内容： 的设置内容大致都包含如下可设置的内容： 的设置内容大致都包含如下可设置的内容 (1)Standard CMOS Setup：标准参数设置，包括日期，时间 ：标准参数设置，包括日期， 和软、硬盘参数等。 和软、硬盘参数等。 (2)BIOS Features Setup：设置一些系统选项。 ：设置一些系统选项。 (3)Chipset Features Setup：主板芯片参数设置。 ：主板芯片参数设置。 (4)Power Management Setup：电源管理设置。 ：电源管理设置。 (5)PnP/PCI Configuration Setup：即插即用及 ：即插即用及PCI插件参数 插件参数 设置。 设置。 (6)Integrated Peripherals：整合外设的设置。 ：整合外设的设置。 (7)其他：硬盘自动检测，系统口令，加载缺省设置，退出等 其他： 其他 硬盘自动检测，系统口令，加载缺省设置，