“数字集成电路设计”课程教学内容的探讨

粟 涛， 庞志勇， 陈 晖

(中山大学 电子与信息工程学院， 广东 广州 510275)

“数字集成电路设计”课程教学内容的探讨

粟 涛， 庞志勇， 陈 晖

(中山大学 电子与信息工程学院， 广东 广州 510275)

本文探讨了将专用集成电路设计技术纳入微电子专业数字集成电路本科教学的重要性和可行性。分析了数字集成电路教学的现状，比较了不同数字集成电路课程的教学内容，提出一个以三门课为核心的数字集成电路教学体系。本文重点介绍了新的专用集成电路设计技术课，详细描述了理论部分和实验部分的教学内容及其参考资料，最后给出了课程的实施情况。

数字集成电路；教学；课程大纲

0 引言

现代数字集成电路追求规模大、功能多、性能强、成本低和功耗小。研发这样的电路大多采用逻辑综合和物理综合的专用集成电路(ASIC)设计方法。目前数字集成电路领域的学术研究与ASIC设计流程紧密结合。无论是工业界还是学术界都要求从业人员掌握ASIC设计方法。

目前在“数字集成电路设计”及其相近的课程主要分三类。第一类主要学习数字集成电路的使用，偏重电子系统设计[1]。第二类主要学习硬件描述语言，偏重FPGA设计[2,3]。第三类主要学习数字集成电路晶体管级结构，偏重版图和晶体管网表的设计[4]。以上三类课程都比较普遍。大多数学校学生在本科阶段只学到这些内容。本科生科研和学位论文也就局限在电路板设计、FPGA设计和小规模电路设计这些方面。这些内容显得比较陈旧，创新的可能性受到很大限制。

“卓越工程师”计划和 “研究性大学”建设都要求培养创新能力的人才。我们认为学生应在本科阶段学习到产业主流相衔接的知识和方法。本科学生的科研和学位论文也应该与研究的前沿相结合。因此有必要调整“数字集成电路设计”课程的内容，将ASIC设计方法纳入到本科教学中。

1 数字集成电路教学体系

增加新的教学内容，需要从微电子本科教学体系着眼。在教授新内容之前，需要确保学生掌握一些必要的予备知识。在教授新内容之后，也应让学生有机会实践这些知识和技术。

一般学生在大学二年级学完传统的“数字电子技术”课程。因此，微电子本科教学体系中可以这样安排数字集成电路的学习：在大学三年级秋时学习“数字集成电路原理”和“数字集成电路EDA技术”。四年级春学期就可学习“专用数字集成电路(ASIC)设计”。这三门课组成数字集成电路学习的核心课程。前两门原先就有，最后一门是新课程。

这三门核心课程中，“数字集成电路原理”讲述晶体管级数字电路的结构和性能，包括工艺、延时、功耗、MOS管特性、CMOS门级电路的网表与版图、传输门和多米诺等特殊电路族类、子电路这些内容，这门课程让学生了解到数字集成电路的物理结构和电路特性。这对以后理解ASIC设计新课程中诸多概念和操作步骤很重要。

“数字集成电路EDA技术”主要讲述Verilog HDL语言和FPGA设计方法。上半学期学习语言和FPGA的基本原理。下半学期使用ALTER DE2-115开发板进行实验。通过此课，让学生掌握代码编写和FPGA验证方法，学习一些较复杂电路的设计，对电路综合有一定的印象。这些知识和技术对学习ASIC设计也是必须的。

“专用数字集成电路(ASIC)设计”这门新课程的教学目标是让学生掌握ASIC设计流程、现代数字集成电路结构、特性和设计过程中的基本概念。要求每周3小时，在18周内完成整个课程的学习。

鉴于微电子教学体系对高年级本科生会开设诸如创新技能训练、工程设计与实践以及撰写毕业论文等实训项目；此外学校和学院还提供本科生科研项目。在这些项目开展中，学生可以进一步深入学习ASIC设计技术或使用ASIC技术设计测试芯片。此外，国家集成电路人才培养基地一般都有Synopsys和Cadence两个设计平台，供20至30名本科生同时开展ASIC设计是没有困难的。

2 “ASIC设计”课程方案

“专用数字集成电路(ASIC)设计”整个课程分为两部分。第一部分是理论学习，时间为前10周。第二部分是上机操作，时间为后8周。

理论课的教学内容如表1所示。

表1 理论课内容

理论课内容主要覆盖四方面的知识：①数字集成电路的重要性和趣味性；②芯片的物理结构(系统级，不是晶体管的结构)；③电路的性能参数及其分析方法；④电路的设计流程的步骤及其原理。

内容详列为九章：第一章包含各种历史事件、重要专利论文和产业统计数字。这些信息需要经过大量的调研才能获得。第二、三和四章的内容来自Synopsys的用户手册[5]。很明显，这些内容与前两门核心课程中描述的有明显区别。第五章的内容来自代工厂提供的内核与IO工艺库文件[6]。第六章的内容可从科研论文和教科书中获得[7]。第七、八和九章内容是结合Synopsys的用户手册和集成电路电子设计自动化资料组织起来的[8-10]。算法部分仅讲基础知识，参照文献[11]。

实验课由七个模块组成，如表2所示。七个模块要按章的顺序做完。整个实验课花费8周时间。每个模块一周。另留出一周时间补遗。

表2 实验课内容

实验课的设计对象是一个串行算术计算电路。要求设计的电路芯片包括一个电源引脚、一个接地引脚、一个数据输入引脚、一个数据输出引脚和一对晶振引脚。内核电路的RTL代码予先已经准备好。学生需要通过上述七个实验模块设计出芯片版图并完成验证。实验使用了中芯国际130纳米混合信号工艺设计库。

整个实验课本质上是修改版的基于Synopsys Galaxy平台的工业级设计流程。具体修改如下。首先是裁剪，避免无新意的重复。其次是形式验证只做一次，仅在逻辑综合后做，物理综合后不做。VCS仿真只做两次，在逻辑综合后不做。然后是调整，与实际相结合。工业界广泛使用明导公司的Calibre进行物理验证，因此实验课没有使用Synopsys的IC Validator进行物理验证。最后是模块化，目的是降低实验难度。在设计流程上七个模块是一环接一环，假如一个模块通不过，则后面的模块无法做。实验将各个模块独立化。事先为每个模块提供了独立标准的原始文档。这样即使前面的实验没做好，后面的实验也不受影响。

在实验过程中，学生主要依靠用户手册来学习操作工具的使用细节。此外还可参考培训资料[11]。

课程的考核方式为实验报告和期末考试。实验报告由实验原理、实验步骤、实验结果和问题解答四部分组成。期末考试采用闭卷问卷形式，内容覆盖理论课知识(60%)和实验课知识(40%)。

3 结语

将专用集成电路设计方法纳入本科教学能够明显增强学生在数字集成电路设计方面的知识和能力，并使产业和学术前沿衔接。

从2011年开始，我们将“专用数字集成电路设计”课程引入微电子专业本科教学。前三年作为选修课，从2015年开始正式确立为必修课。2015年便有65名学生学习了此课程。

从实验课现场和提交实验报告的情况来看，所有学生都可按时完成七个模块的实验。在期末闭卷考试结果中，实验知识的平均正确率为76%，理论知识的平均正确率为72%(正确率为实际得分与满分的比值)综合平时成绩与期末考试成绩，总评平均分为81分。

总体上说来，经过授课和实验，学生对ASIC设计方法有了相当的了解。尽管有些学生对某些细节的记忆和理解还不准确，如有高于20%错误率，考虑到工业和科研实践过程是一个螺旋过程，上述缺陷在现实中可被弥补。2015年期末闭卷考试平均正确率在90%以上的学生有8人。这些学生对ASIC设计技术掌握较好，有一定的实战能力。这相当于为一个中型IC设计公司培养了一支ASIC设计团队。部分完成课程学习的学生参加了学院的研究项目，他们为项目组设计测试芯片，并作相关数据分析。这些都说明本课的教学目标已经达到。

[1] 龙忠琪编. 数字集成电路教程(第二版)[M].北京: 科学出版社，2015

[2] 夏宇闻 著. Verilog数字系统设计教程(第三版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015

[3] 王金明等 著. EDA技术与Verilog HDL设计[M].北京: 电子工业出版社，2013

[4] 拉贝艾 著，周润德 译. 数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)[M].北京: 电子工业出版社，2010

[5] Synopsys. Library Compiler User Guide [EB/OL]. https://sso.synopsys.com/，2015

[6] 中芯国际. 设计库 [EB/OL]. https://service.smics.com/，2015

[7] 凯斯琳 著，张盛等 译. 数字集成电路设计：从VLSI体系结构到CMOS制造 [M]. 北京: 人民邮电出版社，2011

[8] G. Hachtel等 著. Logic Synthesis and Optimization [M].New York: Kluwer，2002

[9] A Kahng等 著. VLSI Physical Design: From Graph Partitioning to Timing Closure [M].New York: Springer，2011

[10] R. Rutenbar. The first EDA MOOC: Teaching design automation to planet earth [C]，1-7页: 51st ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference，San Francisco，2015

[11] 虞希清 著. 专用集成电路设计实用教程[M].杭州: 浙江大学出版社，2013

A Discussion on the Content of Digital Integrated Circuits Design Course

SU Tao, PANG Zhi-yong, CHEN Hui

(SchoolofElectronicsandInformationTechnology,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

This paper discusses the importance and feasibility of teaching ASIC Design method in Digital Integrated Circuit (DIC) course of undergraduate Microelectronics program. The paper analyzes the current conditions of DIC teaching in China, and compares the course contents of different DIC course. Based on the collected materials, the author suggests a DIC teaching system which includes three core courses. A new course titled Design Techniques of Digital ASIC is introduced. Theoretical topics and experimental projects covered by the course are thoroughly explained in the paper. Teaching resources are given. In the last part, the author presents the result of course implementation in the microelectronics undergraduate program.

digital integrated circuits；teaching；course syllabus

2015-09-10;

2016-01-14 基金：中山大学实验教学研究(改革)项目基金(项目号：YJ201330)

粟 涛(1977-),男，博士，讲师，主要从事集成电路设计教学和研究工作,E-mail：sutao@mail.sysu.edu.cn 庞志勇(1975-)，男，博士，工程师，主要从事集成电路设计教学和研究工作,E-mail：stspzy@mail.sysu.edu.cn 陈 晖(1978-)，男，博士，讲师，主要从事集成电路设计教学和研究工作,E-mail：chhui3@mail.sysu.edu.cn

G642.3

A

1008-0686(2016)04-0030-03