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本节将介绍集成电路的发展、集成电路的构成和集成电路的版图。
集成电路的发展主要划分为4个阶段，如下所示。
（1）20世纪60年代早期，出现了第一片集成电路，所集成的晶体管数量少于100个，该集成电路称为小规模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit，SSI）。
（2）20世纪60年代后期，出现了中规模集成电路（Medium-Scale Integrated Circuit，MSI），所集成的晶体管数量达到几百个。
（3）20世纪70年代中期，出现了大规模集成电路（Large-Scale Integrated Circuit，LSI），所集成的晶体管数量达到几千个。
（4）20世纪80年代早期，出现了超大规模集成电路（Very-Large-Scale-Integrated，VLSI），所集成的晶体管数量超过了100 000个。到20世纪80年代后期，所集成的晶体管数量超过了1 000 000个。到20世纪90年代，所集成的晶体管数量超过了10 000 000个，而到了2004年，这一数量已经超过了100 000 000个。目前这一数量已经突破1 000 000000个。
术语“芯片”和集成电路指半导体电路，即在一个硅片上，集成了大量的微型晶体管。这些芯片的功能有些只能实现很简单的逻辑开关功能，有些则可以实现复杂的处理功能。对于实现简单逻辑功能的芯片来说，一个硅片上可能只集成了少量的晶体管；对于功能比较复杂的芯片来说，一个硅片上可能集成了几百万个晶体管。有些已经存在了很长时间的芯片，只实现最基本的功能，如74系列的芯片，它们是最简单的小规模集成电路，只集成了少量的逻辑电路，其中7400芯片包含4个独立的与非门逻辑电路。
如图1.31所示，芯片本身（芯片裸片）远远小于其外部的封装。在制造芯片的过程中，这个小的、脆弱的芯片被粘到（使用环氧树脂）封装中间的底部，将键合线连接到芯片裸片，并且与外部引脚连接，然后将封装的上半部分进行永久粘合。对于小规模集成电路，只有几个外部引脚；而对于大规模集成电路，引脚的个数可能超过几百个，甚至多达几千个。如图1.32所示，给出了集成电路另一种常用的LQFP封装的内部结构。
图1.31 集成电路的DIP封装
图1.32 集成电路的LQFP封装的内部结构
集成电路的版图是对集成电路真实的平面几何形状的描述。如图1.33所示，集成电路的版图是集成电路设计中最底层步骤中物理设计的成果，物理设计通过布局和布线技术将逻辑综合的成果——门级网表转换成物理版图文件，这个文件包含了各个硬件单元在芯片上的形状、面积和位置信息。版图设计的结果必须遵守制造工艺、时序、面积和功耗等的约束。通过EDA工具，芯片设计人员可以完成版图的设计。完成集成电路的版图设计后，整个集成电路的设计流程基本结束。随后，版图文件将被送到半导体加工厂，通过使用半导体器件制造技术来制造实际的芯片。
图1.33 反相器的电路原理和其集成电路版图
如果以标准的工业流程进行集成电路的制造，则可以精确控制化学、热学和一些与光刻有关的变量。这样，最终制造出的集成电路，其行为在很大程度上取决于不同“几何形状”之间的相互连接和位置来决定。集成电路布局工程师的工作是将组成集成电路芯片的所有组件安置和连接起来，并使其符合预先的技术要求，通常这些技术要求包括性能、尺寸和制造可行性。在版图图形中，不同颜色的图形形状可以分别代表金属、二氧化硅或组成集成电路组件的其他半导体层。同时，版图可以提供导体、隔离层、接触、通孔和掺杂注入层等方面的信息。
生成的版图必须经过一系列被称为物理验证的检查流程。设计人员必须使版图满足制造工艺、设计流程和电路性能三方面带来的约束条件。其中，制造工艺往往要求电路符合最小线宽等工艺限制，而功率耗费和占用面积也是考虑的因素。验证流程中常见的步骤如下。
（1）设计规则检查（Design Rule Checking，DRC）。通常会对宽度、间距和面积等进行检验。
（2）版图与电路图一致性检查（Layout Versus Schematic，LVS）。将原始电路图的网表与版图中所提取出来的电路图网表加以比较。
（3）版图参数的提取。从生成的版图中提取关键参数，如CMOS的长宽比和耦合电容等。此外，可以获得电路的逻辑门延迟和连线延迟参数，从而进行更精确的仿真。
（4）电学规则检查。检查是否存在通路、短路和孤立节点等情况。
在完成所有的验证之后，版图数据会转换为一种在工业界通用的标准格式，通常是GDSII格式，然后它会被送到半导体硬件厂商那进行制造。这一数据传送的过程被称为下线，这一术语源于这些数据以往是通过磁带运输到工厂的。半导体硬件厂商进一步将标准格式的数据转换成另一种格式，并用它来生产用于进行半导体器件制造中光刻步骤的掩膜等精密规格的器材。
在集成电路发展的早期，集成电路的复杂程度较低，因此设计任务也没如今那么困难，其版图设计主要依靠人工在不透明的磁带和胶片上完成，这在一定程度上类似人们使用印刷电路板来完成中小型电路的设计。现代超大规模集成电路的版图设计通常需要在版图编辑器等软件的辅助下完成，大多数复杂的步骤都可以使用EDA工具代替人工劳动，包括布局和布线工具等，但是工程师也必须掌握操作这些软件的技术。整个有关版图的物理设计和仿真往往涉及大量的文件格式。随着计算机功能的不断强化，自动化集成电路的版图工具软件也不断发展，如Synopsys、Mentor Graphics、Cadence、Compass和Daisy等公司的产品占据了相当的市场份额。
为了帮助读者理解集成电路设计的版图，图1.34给出了其他基本逻辑单元集成电路的版图表示方法。
图1.34 逻辑与非门的电路原理和集成电路版图描述
思考与练习1-16： 请说明一个“芯片”包含哪些部分。
思考与练习1-17： 请说明版图的作用。