3.1 数字集成电路的分类

数字集成电路按照其内部采用的半导体器件的不同,可以分为双极型数字集成逻辑门单极性数字集成逻辑门 两大类。

双极型数字集成逻辑门主要有晶体管-晶体管逻辑(TTL,Transistor Transistor Logic\textrm{TTL,Transistor Transistor Logic}TTL,Transistor Transistor Logic)、射极耦合器(ECL,Emitter Coupled Logic\textrm{ECL,Emitter Coupled Logic}ECL,Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑(I2L,Integrated Injection Logic\textrm{I}^2\textrm{L,Integrated Injection Logic}I2L,Integrated Injection Logic)等几种类型。

单极性数字集成逻辑门采用金属-氧化物-半导体场效应管构成,简称 MOS(metal Oxide Semiconductor\textrm{metal Oxide Semiconductor}metal Oxide Semiconductor)集成电路,它可以分为 NMOS\textrm{NMOS}NMOS、PMOS\textrm{PMOS}PMOS 和 CMOS\textrm{CMOS}CMOS 等几种类型。

TTL\pmb{\textrm{TTL}}TTL 逻辑门电路 是应用最早,技术比较成熟的集成电路,其特点是工作速度快,驱动能力强,但功耗大、集成度低 ;CMOS\pmb{\textrm{CMOS}}CMOS 逻辑门电路 是在 TTL\textrm{TTL}TTL 电路之后出现的一种广泛应用的集成电路,其特点是集成度高、功耗低、抗干扰能力强,工作电压范围宽 。早期的 CMOS\textrm{CMOS}CMOS 器件工作速度较慢,但随着 CMOS\textrm{CMOS}CMOS 制造工艺的不断改进,其工作速度已经赶上甚至超过 TTL\textrm{TTL}TTL 电路,CMOS\textrm{CMOS}CMOS 电路已经成为当前数字集成电路的主流产品,由于它的功耗和抗干扰能力都远远优于 TTL\textrm{TTL}TTL,因此几乎所有的大规模、超大规模集成电路都采用 CMOS\textrm{CMOS}CMOS 工艺制造。

数字集成电路按其集成度可以分为以下四类:

(1)小规模集成电路(SSI,Small Scale Integration\textrm{SSI,Small Scale Integration}SSI,Small Scale Integration),每片组件内含 101010 个以内的门电路。

(2)中规模集成电路(MSI,Medium Scale Integration\textrm{MSI,Medium Scale Integration}MSI,Medium Scale Integration),每片组件内含 10∼10010\sim10010∼100 个门电路。

(3)大规模集成电路(LSI,Large Scale Integration\textrm{LSI,Large Scale Integration}LSI,Large Scale Integration),每片组件内含 100∼10 000100\sim10\,000100∼10000 个门电路。

(4)超大规模集成电路(VLSI,Very Lage Scale Integration\textrm{VLSI,Very Lage Scale Integration}VLSI,Very Lage Scale Integration),每片组件内含 10 00010\,00010000 个以上门电路。

目前常用的逻辑门和触发器都属于 SSI\textrm{SSI}SSI;常用的译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器等组件属于 MSI\textrm{MSI}MSI;常用的 LSI\textrm{LSI}LSI、VLSI\textrm{VLSI}VLSI 有只读存储器、随机存取存储区、微处理器、单片微处理机、高速乘法累加器、数字信号处理器以及各类专用集成电路 ASIC\textrm{ASIC}ASIC 芯片等。

现代数字集成电路的集成度

随着半导体制造工艺的不断进步,数字集成电路的集成度早已远超传统 VLSI\textrm{VLSI}VLSI 的划分标准。当前主流工艺节点已进入纳米级,单片芯片可集成的晶体管数量达到数十亿甚至上百亿个,对应的门电路数量也达到千万门级乃至亿门级

以现代典型芯片为例:

  • 微处理器(CPU) :如桌面级多核处理器,集成晶体管数量通常在数十亿量级,折合门电路数量可达数亿门
  • 图形处理器(GPU) :为满足并行计算需求,集成度更高,晶体管数量可达上百亿,门电路数量相应达到十亿门级
  • 系统级芯片(SoC) :将 CPU、GPU、内存控制器、通信模块等集成于单一芯片,门电路数量同样达到亿门级
  • FPGA(现场可编程门阵列):高端型号可提供数百万个可编程逻辑单元,每个单元又由多个门电路构成,总门数同样可观。

因此,现代数字集成电路的集成度已从传统 VLSI\textrm{VLSI}VLSI 的"万门级"跃升到亿门级甚至更高,这正是摩尔定律推动下半导体技术持续发展的直接体现。

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