数字集成电路设计基础
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数字集成电路设计基础范文第1篇
合理设置课程体系和课程内容，是提高人才培养水平的关键。2009年，黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业制定了该专业的课程体系，经过这几年教学工作的开展与施行，发现仍存在一些不足之处，于是在2014年黑龙江大学开展的教学计划及人才培养方案的修订工作中进行了再次的改进和完善。首先，在课程设置与课时安排上进行适当的调整。对于部分课程调整其所开设的学期及课时安排，不同课程中内容重叠的章节或相关性较大的部分可进行适当删减或融合。如：在原来的课程设置中，“数字集成电路设计”课程与“CMOS模拟集成电路设计”课程分别设置在教学第六学期和第七学期。由于“数字集成电路设计”课程中是以门级电路设计为基础，所以学生在未进行模拟集成电路课程的讲授前，对于各种元器件的基本结构、特性、工作原理、基本参数、工艺和版图等这些基础知识都是一知半解，因此对门级电路的整体设计分析难以理解和掌握，会影响学生的学习热情及教学效果；而若在“数字集成电路设计”课程中添加入相关知识，与“CMOS模拟集成电路设计”课程中本应有的器件、工艺和版图的相关内容又会出现重叠。在调整后的课程设置中，先开设了“CMOS模拟集成电路设计”课程，将器件、工艺和版图的基础知识首先进行讲授，令学生对于各器件在电路中所起的作用及特性能够熟悉了解；在随后“数字集成电路设计”课程的学习中，对于应用各器件进行电路构建时会更加得心应手，达到较好的教学效果，同时也避免了内容重复讲授的问题。此外，这样的课程设置安排，将有利于本科生在“大学生集成电路设计大赛”的参与和竞争，避免因学期课程的设置问题，导致学生还未深入地接触学习相关的理论课程及实验课程，从而出现理论知识储备不足、实践操作不熟练等种种情况，致使影响到参赛过程的发挥。调整课程安排后，本科生通过秋季学期中基础理论知识的学习以及实践操作能力的锻炼，在参与春季大赛时能够确保拥有足够的理论知识和实践经验，具有较充足的参赛准备，通过团队合作较好地完成大赛的各项环节，赢取良好赛果，为学校、学院及个人争得荣誉，收获宝贵的参赛经验。其次，适当降低理论课难度，将教学重点放在掌握集成电路设计及分析方法上，而不是让复杂烦琐的公式推导削弱了学生的学习兴趣，让学生能够较好地理解和掌握集成电路设计的方法和流程。第三，在选择优秀国内外教材进行教学的同时，从科研前沿、新兴产品及技术、行业需求等方面提取教学内容，激发学生的学习兴趣，实时了解前沿动态，使学生能够积极主动地学习。
二、变革教学理念与模式
CDIO（构思、设计、实施、运行）理念，是目前国内外各高校开始提出的新型教育理念，将工程创新教育结合课程教学模式，旨在缓解高校人才培养模式与企业人才需求的冲突[4]。在实际教学过程中，结合黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业的“数模混合集成电路设计”课程，基于“逐次逼近型模数转换器（SARADC）”的课题项目开展教学内容，将各个独立分散的模拟或数字电路模块的设计进行有机串联，使之成为具有连贯性的课题实践内容。在教学周期内，以学生为主体、教师为引导的教学模式，令学生“做中学”，让学生有目的地将理论切实应用于实践中，完成“构思、设计、实践和验证”的整体流程，使学生系统地掌握集成电路全定制方案的具体实施方法及设计操作流程。同时，通过以小组为单位，进行团队合作，在组内或组间的相互交流与学习中，相互促进提高，培养学生善于思考、发现问题及解决问题的能力，锻炼学生团队工作的能力及创新能力，并可以通过对新结构、新想法进行不同程度奖励加分的形式以激发学生的积极性和创新力。此外，该门课程的考核形式也不同，不是通过以往的试卷笔试形式来确定学生得分，而是以毕业论文的撰写要求，令每一组提供一份完整翔实的数据报告，锻炼学生撰写论文、数据整理的能力，为接下来学期中的毕业设计打下一定的基础。而对于教师的要求，不仅要有扎实的理论基础还应具备丰富的实践经验，因此青年教师要不断提高专业能力和素质。可通过参加研讨会、专业讲座、企业实习、项目合作等途径分享和学习实践经验，同时还应定期邀请校外专家或专业工程师进行集成电路方面的专业座谈、学术交流、技术培训等，进行教学及实践的指导。
三、加强EDA实践教学
首先，根据企业的技术需求，引进目前使用的主流EDA工具软件，让学生在就业前就可以熟练掌握应用，将工程实际和实验教学紧密联系，积累经验的同时增加学生就业及继续深造的机会，为今后竞争打下良好的基础。2009—2015年，黑龙江大学先后引进数字集成电路设计平台Xilinx和FPGA实验箱、华大九天开发的全定制集成电路EDA设计工具Aether以及Synopsys公司的EDA设计工具等，最大可能地满足在校本科生和研究生的学习和科研。而面对目前学生人数众多但实验教学资源相对不足的情况，如果可以借助黑龙江大学的校园网进行网络集成电路设计平台的搭建，实现远程登录，则在一定程度上可以满足学生在课后进行自主学习的需要[5]。其次，根据企业岗位的需求可合理安排EDA实践教学内容，适当增加实践课程的学时。如通过运算放大器、差分放大器、采样电路、比较器电路、DAC、逻辑门电路、有限状态机、分频器、数显键盘控制等各种类型电路模块的设计和仿真分析，令学生掌握数字、模拟、数模混合集成电路的设计方法及流程，在了解企业对于数字、模拟、数模混合集成电路设计以及版图设计等岗位要求的基础上，有针对性地进行模块课程的学习与实践操作的锻炼，使学生对于相关的EDA实践内容真正融会贯通，为今后就业做好充足的准备。第三，根据集成电路设计本科理论课程的教学内容，以各应用软件为基础，结合多媒体的教学方法，选取结合于理论课程内容的实例，制定和编写相应内容的实验课件及操作流程手册，如黑龙江大学的“CMOS模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程，都已制定了比较详尽的实践手册及实验内容课件；通过网络平台，使学生能够更加方便地分享教学资源并充分利用资源随时随地地学习。
四、搭建校企合作平台
数字集成电路设计基础范文第2篇
关键词：版图设计；集成电路；教学与实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0153-02
目前，集成电路设计公司在招聘新版图设计员工时，都希望找到已经具备一定工作经验的，并且熟悉本行业规范的设计师。但是，IC设计这个行业圈并不大，招聘人才难觅，不得不从其他同行业挖人才或通过猎头公司。企业不得不付出很高的薪资，设计师才会考虑跳槽，于是一些企业将招聘新员工目标转向了应届毕业生或在校生，以提供较低薪酬聘用员工或实习方式来培养适合本公司的版图师。一些具备版图设计知识的即将毕业学生就进入了IC设计行业。但是，企业通常在招聘时或是毕业生进入企业一段时间后发现，即使是懂点版图知识的新员工，电路和工艺的知识差强人意，再就是行业术语与设计软件使用不够熟练、甚至不懂。这就要求我们在版图教学时渗入电路与工艺等知识，使学生明确其中紧密关联关系，树立电路、工艺以及设计软件为版图设计服务的理念。
一、企业对IC版图设计的要求分析
集成电路设计公司在招聘版图设计员工时，除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外，大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求：熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺；熟悉集成电路（数字、模拟）设计，了解电路原理，设计关键点；熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则；掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具；完成手工版图设计和工艺验证[1，2]。另外，公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识，还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广，而国内学校开设这方面专业比较晚，IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大，所以拥有一定工作经验的设计工程师，就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4，5]。
二、针对企业要求的版图设计教学规划
1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件，它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时，一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等，鉴于很少有学校开设这门课程，可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计，可以由Foundry厂提供，也可由公司自定制标准单元版图库，因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。
2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中，无论是CMOS还是双极型电路，主要目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能，匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者，更关心的是电路的性能，了解电压和电流以及它们之间的相互关系，应当知道为什么差分对需要匹配，应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的，面积在某种程度上说仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中，性能比尺寸更重要。另外，模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手，经常需要与前端工程师交流，看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等，这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。
3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此，对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高，版图设计工作还涵盖了电路提取与整理，这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程；而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。
三、教学实现
1.数字版图。数字集成电路版图在教学时，一是掌握自动布局布线工具的使用，还需要对UNIX或LINUX系统熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是数字逻辑单元版图的设计，目前数字集成电路设计大都采用CMOS工艺，因此，必须深入学习CMOS工艺流程。在教学时，可以做个形象的PPT，空间立体感要强，使学生更容易理解CMOS工艺的层次、空间感。逻辑单元版图具体教学方法应当采用上机操作并配备投影仪，教师一边讲解电路和绘制版图，一边讲解软件的操作、设计规则、画版图步骤、注意事项，学生跟着一步一步紧随教师演示学习如何画版图，同时教师可适当调整教学速度，适时停下来检查学生的学习情况，若有错加以纠正。这样，教师一个单元版图讲解完毕，学生亦完成一个单元版图。亦步亦趋、步步跟随，学生的注意力更容易集中，掌握速度更快。课堂讲解完成后，安排学生实验以巩固所学。逻辑单元版图教学内容安排应当采用目前常用的单元，并具有代表性、扩展性，使学生可以举一反三，扩展到整个单元库。具体单元内容安排如反相器、与非门/或非门、选择器、异或门/同或门、D触发器与SRAM等。在教授时一定要注意符合行业规范，比如单元的高度、宽度的确定要符合自动布局布线的要求；单元版图一定要最小化，如异或门与触发器等常使用传输门实现，绘制版图时注意晶体管源漏区的合并；大尺寸晶体管的串并联安排合理等。
2.模拟版图。模拟集成电路版图设计更注重电路的性能实现，经常需要与前端电路设计工程师交流。因此，版图教学时教师须要求学生掌握模拟集成电路的基本原理，学生能识CMOS模拟电路，与前端电路工程师交流无障碍。同时也要求学生掌握工艺对模拟版图的影响，熟练运用模拟版图的晶体管匹配、保护环、Dummy晶体管等关键技术。在教学方法上，依然采用数字集成电路版图的教学过程，实现教与学的同步。在内容安排上，一是以运算放大器为例，深入讲解差分对管、电流镜、电容的匹配机理，版图匹配时结构采用一维还是二维，具体是如何布局的，以及保护环与dummy管版图绘制技术。二是以带隙基准电压源为例，深入讲解N阱CMOS工艺下双极晶体管PNP与电阻匹配的版图绘制技术。在教学时需注意晶体管与电阻并联拆分的合理性、电阻与电容的类型与计算方法以及布线的规范性。
3.逆向版图设计。逆向集成电路版图设计需要学生掌握数字标准单元的命名规范、所有标准单元电路结构、常用模拟电路的结构以及芯片的工艺，要求学生熟悉模拟和数字集成单元电路。这样才可以在逆向提取电路与版图时，做到准确无误。教学方法同样还是采用数字集成电路版图教学流程，达到学以致用。教学内容当以一个既含数字电路又含模拟电路的芯片为例。为了提取数字单元电路，需讲解foundry提供的标准单元库里的单元电路与命名规范。在提取单元电路教学时，说明数字电路需要归并同类图形，例如与非门、或非门、触发器等，同样的图形不要分析多次。强调学生注意电路的共性、版图布局与布线的规律性，做到熟能生巧。模拟电路的提取与版图绘制教学要求学生掌握模拟集成电路常用电路结构与工作原理，因为逆向设计软件提出的元器件符号应该按照易于理解的电路整理，使其他人员也能看出你提取电路的功能，做到准确通用规范性。
集成电路版图设计教学应面向企业，按照企业对设计工程师的要求来安排教学，做到教学与实践的紧密结合。从教学开始就向学生灌输IC行业知识，定位准确，学生明确自己应该掌握哪些相关知识。本文从集成电路数字版图、模拟版图和逆向设计版图这三个方面就如何开展教学可以满足企业对版图工程师的要求展开探讨，安排教学有针对性。在教学方法与内容上做了分析探讨，力求让学生在毕业后可以顺利进入IC行业做出努力。
参考文献：
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数字集成电路设计基础范文第3篇
关键词 片上系统设计导论 集成电路设计 项目化教学
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）17-0010-02
随着半导体工艺和集成电路设计技术的发展，集成电路的规模可以达上亿个晶体管，已经发展到片上系统SoC（System on Chip）。现代片上系统（SoC）是利用IP核（Intellectual Property Core）复用和深亚微米技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法，在一块芯片上实现复杂的功能。它广泛应用于汽车、医疗设备、手机和其他消费电子，其应用领域的市场应用结构如图1所示。
图1 2013年集成电路设计市场应用结构
图2 2008-2014年集成电路行业的产值
2008年以来，我国集成电路产业总产值从2107亿元增长到2915亿元。2014年，据国家统计局统计，共生产集成电路1015.5亿块，同比增长12.4%，增幅高于上年7.1个百分点；集成电路行业销售产值同比增长8.7%，增幅高于上年0.1个百分点。集成电路行业的产值如图2所示。
近年来，半导体集成电路产业在国家政策支持下发展迅速，因此对人才的需求在不断增加。据权威机构报道，2010年以来，中国IC产业对设计工程师的需求将达到30万人以上，并且逐年增加，但目前国内实际人才数量相较于需求远远不够。高校是人才培养的摇篮，但高校大多数教授基础概念，并了解基本的设计流程和设计方法，远不能满足行业的要求。
针对这一现象，《片上系统（SoC）设计导论》课程将结合《固体物理》《半导体物理》《数字集成电路设计》《模拟集成电路设计》《VHDL语言》等多门课程，以项目化教学的形式进行教学，并且对其进行探讨。
一、采用项目化教学改善学生只会理论、不会设计的现状
（1）解决SoC设计与相关课程之间的内部联系，教学内容主要涉猎到相类似的部分，通过将一个大项目分解成几个小项目，通过逐渐加大项目的难度，使学生在项目中逐渐加深了对知识点的理解，并且将课程的主要内容相互衔接与融合，形成完整的SoC设计概念。例如通过对矩阵加法器的项目分解如下几个小项目来实现，具体项目如图3所示。通过这些项目设计过程完整地训练，既培养了较强的SoC设计能力，还提升了学生的择业面。
图3 项目流程图
（2）项目中会先有示例，然后引导学生对分解的小项目做设计，熟悉设计流程和设计方法，而且解决了理论教学与实践教学相脱节的问题，转变了传统的理论教学方式，达到较好的教学效果。
二、 通过PDCA戴明环的方式改善设计的产品不能用的问题
（1）在SoC设计的过程中，通过跟踪课内外学生设计中反应的问题，对项目难易度的进行调整，提高学生的综合素质，逐步锻炼和培养学生的自主学习、团结协作等能力。
（2）结合新的技术或者领域，对项目进行适当的调整，在基础层上让学生边学边做，在单个简单的模块中进行训练，最后实现复杂的项目要求的功能，达到SoC设计能力的提高。
通过PDCA戴明环的方式来持续改进教学方法，对教学内容和教学计划进行合理和高效的修改。PDCA戴明环如图4所示。
图4 PDCA循环
三、小结
教师指导学生设计一个完整的项目，其中包括需求、硬件设计、软件设计、验证等部分。学生不仅掌握了基本概念，也提高了设计实践能力，更提升了团队意识。《片上系统（SoC）设计导论》课程项目化教学改变了传统的理论课教学方式，以目标为导向，以设计作为考核标准，充分发挥了学生的能动性和协作能力，使学生理论与实践齐头并进，缩短了与集成电路设计人才的距离。
参考文献：
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数字集成电路设计基础范文第4篇
关键词：课程体系改革；教学内容优化；集成电路设计
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）34-0076-02
以集成电路为龙头的信息技术产业是国家战略性新兴产业中的重要基础性和先导性支柱产业。国家高度重视集成电路产业的发展，2000年，国务院颁发了《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》（18号文件），2011年1月28日，国务院了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，2011年12月24日，工业和信息化部印发了《集成电路产业“十二五”发展规划》，我国集成电路产业有了突飞猛进的发展。然而，我国的集成电路设计水平还远远落后于产业发展水平。2013年，全国进口产品金额最大的类别是集成电路芯片，超过石油进口。2014年3月5日，国务院总理在两会上的政府工作报告中，首次提到集成电路（芯片）产业，明确指出，要设立新兴产业创业创新平台，在新一代移动通信、集成电路、大数据、先进制造、新能源、新材料等方面赶超先进，引领未来产业发展。2014年6月，国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》，加快推进我国集成电路产业发展，10月底1200亿元的国家集成电路投资基金成立。集成电路设计人才是集成电路产业发展的重要保障。2010年，我国芯片设计人员达不到需求的10%，集成电路设计人才的培养已成为当前国内高等院校的一个迫切任务[1]。为满足市场对集成电路设计人才的需求，2001年，教育部开始批准设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[2]。
我校2002年开设电子科学与技术本科专业，期间，由于专业调整，暂停招生。2012年，电子科学与技术专业恢复本科招生，主要专业方向为集成电路设计。为提高人才培养质量，提出了集成电路设计专业创新型人才培养模式[3]。本文根据培养模式要求，从课程体系设置、课程内容优化两个方面对集成电路设计方向的专业课程体系进行改革和优化。
一、专业课程体系存在的主要问题
1.不太重视专业基础课的教学。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”是集成电路设计的专业基础课，为后续更好地学习专业方向课提供理论基础。如果基础不打扎实，将导致学生在学习专业课程时存在较大困难，更甚者将导致其学业荒废。例如，如果没有很好掌握MOS晶体管的结构、工作原理和工作特性，学生在后面学习CMOS模拟放大器和差分运放电路时将会是一头雾水，不可能学得懂。但国内某些高校将这些课程设置为选修课，开设较少课时量，学生不能全面、深入地学习；有些院校甚至不开设这些课程[4]。比如，我校电子科学与技术专业就没有开设“晶体管原理”这门课程，而是将其内容合并到“模拟集成电路原理与设计”这门课程中去。
2.课程开设顺序不合理。专业基础课、专业方向课和宽口径专业课之间存在环环相扣的关系，前者是后者的基础，后者是前者理论知识的具体应用。并且，在各类专业课的内部也存在这样的关系。如果在前面的知识没学好的基础上，开设后面的课程，将直接导致学生学不懂，严重影响其学习积极性。例如：在某些高校的培养计划中，没有开设“半导体物理”，直接开设“晶体管原理”，造成了学生在学习“晶体管原理”课程时没有“半导体物理”课程的基础，很难进入状态，学习兴趣受到严重影响[5]。具体比如在学习MOS晶体管的工作状态时，如果没有半导体物理中的能带理论，就根本没办法掌握阀值电压的概念，以及阀值电压与哪些因素有关。
3.课程内容理论性太强，严重打击学生积极性。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”这些专业基础课程本身理论性就很强，公式推导较多，并且要求学生具有较好的数学基础。而我们有些教师在授课时，过分强调公式推导以及电路各性能参数的推导，而不是侧重于对结构原理、工作机制和工作特性的掌握，使得学生（尤其是数学基础较差的学生）学习起来很吃力，学习的积极性受到极大打击[6]。
二、专业课程体系改革的主要措施
1.“4+3+2”专业课程体系。形成“4+3+2”专业课程体系模式：“4”是专业基础课“专业物理”、“半导体物理”、“固体物理”和“晶体管原理”；“3”是专业方向课“集成电路原理与设计”、“集成电路工艺”和“集成电路设计CAD”；“2”是宽口径专业课“集成电路应用”、“集成电路封装与测试”，实行主讲教师负责制。依照整体优化和循序渐进的原则，根据学习每门专业课所需掌握的基础知识，环环相扣，合理设置各专业课的开课先后顺序，形成先专业基础课，再专业方向课，然后宽口径专业课程的开设模式。
我校物理与电子科学学院本科生实行信息科学大类培养模式，也就是三个本科专业大学一年级、二年级统一开设课程，主要开设高等数学、线性代数、力学、热学、电磁学和光学等课程，重在增强学生的数学、物理等基础知识，为各专业后续专业基础课、专业方向课的学习打下很好的理论基础。从大学三年级开始，分专业开设专业课程。为了均衡电子科学与技术专业学生各学期的学习负担，大学三年级第一学期开设“理论物理导论”和“固体物理与半导体物理”两门专业基础课程。其中“固体物理与半导体物理”这门课程是将固体物理知识和半导体物理知识结合在一起，课时量为64学时，由2位教师承担教学任务，其目的是既能让学生掌握后续专业方向课学习所需要的基础知识，又不过分增加学生的负担。大学三年级第二学期开设“电子器件基础”、“集成电路原理与设计”、“集成电路设计CAD”和“微电子工艺学”等专业课程。由于“电子器件基础”是其他三门课程学习的基础，为了保证学习的延续性，拟将“电子器件基础”这门课程的开设时间定为学期的1～12周，而其他3门课程的开课时间从第6周开始，从而可以保证学生在学习专业方向课时具有高的学习效率和大的学习兴趣。另外，“集成电路原理与设计”课程设置96学时，由2位教师承担教学任务。并且，先讲授“CMOS模拟集成电路原理与设计”的内容，课时量为48学时，开设时间为6～17周；再讲授“CMOS数字集成电路原理与设计”的内容，课时量为48学时，开设时间为8～19周。大学四年级第一学期开设“集成电路应用”和“集成电路封装与测试技术”等宽口径专业课程，并设置其为选修课，这样设置的目的在于：对于有意向考研的同学，可以减少学习压力，专心考研；同时，对于要找工作的同学，可以更多了解专业方面知识，为找到好工作提供有力保障。
2.优化专业课程的教学内容。由于我校物理与电子科学学院本科生采用信息科学大类培养模式，专业课程要在大学三年级才能开始开设，时间紧凑。为实现我校集成电路设计人才培养目标，培养紧跟集成电路发展前沿、具有较强实用性和创新性的集成电路设计人才，需要对集成电路设计方向专业课程的教学内容进行优化。其学习重点应该是掌握基础的电路结构、电路工作特性和电路分析基本方法等，而不是纠结于电路各性能参数的推导。
在“固体物理与半导体物理”和“晶体管原理”等专业基础课程教学中，要尽量避免冗长的公式及烦琐的推导，侧重于对基本原理及特性的物理意义的学习，以免削弱学生的学习兴趣。MOS器件是目前集成电路设计的基础，因此，在“晶体管原理”中应当详细讲授MOS器件的结构、工作原理和特性，而双极型器件可以稍微弱化些。
对于专业方向课程，教师不但要讲授集成电路设计方面的知识，也要侧重于集成电路设计工具的使用，以及基本的集成电路版图知识、集成电路工艺流程，尤其是CMOS工艺等相关内容的教学。实验实践教学是培养学生的知识应用能力、实际动手能力、创新能力和社会适应能力的重要环节。因此，在专业方向课程中要增加实验教学的课时量。例如，在“CMOS模拟集成电路原理与设计”课程中，总课时量为48学时不变，理论课由原来的38学时减少至36学时，实验教学由原来的10学时增加至12个学时。36学时的理论课包含了单级运算放大器、差分运算放大器、无源/有源电流镜、基准电压源电路、开关电路等多种电路结构。12个学时的实验教学中2学时作为EDA工具学习，留给学生10个学时独自进行电路设计。从而保证学生更好地理解理论课所学知识，融会贯通，有效地促进教学效果，激发学生的学习兴趣。
三、结论
集成电路产业是我国国民经济发展与社会信息化的重要基础，而集成电路设计人才是集成电路产业发展的关键。本文根据调研结果，分析目前集成电路设计本科专业课程体系存在的主要问题，结合我校实际情况，对我校电子科学与技术专业集成电路设计方向的专业课程体系进行改革，提出“4+3+2”专业课程体系，并对专业课程讲授内容进行优化。从而满足我校集成电路设计专业创新型人才培养模式的要求，为培养实用创新型集成电路设计人才提供有力保障。
参考文献：
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[4]刘胜辉，崔林海，黄海.集成电路设计与集成系统专业课程体系研究与实践[J].教育与教学研究，2008，（22）.
数字集成电路设计基础范文第5篇
【关键词】卓越工程师 培养 体系
【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2011）02－0020－02
福州大学于1970年开始招收微电子专业学生，为我省培养出第一批微电子专业人才，但由于历史原因，80年代微电子学专业停办了。为促进福建省IC产业的发展，加速福建省集成电路专业技术人才的培养，促进闽台两岸IC产业对接和为海峡西岸创新经济建设提供有力的人才支撑，2007年2月，经教育部批准，福州大学复办微电子学本科专业，依托福建省集成电路设计中心的公共服务平台，建立起集教学、研发与产业化功能于一体的国家集成电路人才培养基地。经过这几年的建设，微电子学专业实验室、福建省集成电路重点实验室等几个平台已建立起来，基本可满足学生、老师学习与研究之用，但微电子的人才还很奇缺，培养的人才与社会的需求还有一定的差距，因此我们根据教育部“卓越工程师培养计划”的标准，对微电子学专业的培养方案进行探索，培养符合社会需求的人才。
作为第一批试点单位，福州大学“卓越工程师培养”采用校企联合培养模式，把工程师培养分为校内学习和企业学习两个培养阶段。本科培养采用“3＋1”培养模式，即前3年在校内学习本科课程，第4年到企业实践；硕士培养采用“1.5＋1”培养模式，硕士工程型要求前一年半以校内为主学习硕士课程，后一年到企业实践，接受工程设计研发训练。
一、卓越工程师培养体系的建设
根据卓越工程师培养标准，卓越工程师培养体系的建设应包含以下几个方面：
1．教学计划建设（理论教学和实践教学安排）
集成电路设计、集成电路测试与封装等微电子专业都是实践性很强的学科，除了要有厚实的理论基础外，学生参与实践显得非常重要，这与卓越工程师的培养精神相吻合。因此在本科工程培养阶段，课程体系要面向工程，强调宽基础、重实践、重应用，强调学以致用，教学内容精而管用，可适当削减部分课程学时，同时开设企业与工程管理、企业法规、企业文化、国内外营销等与企业管理密切相关的课程，注重自然科学与人文科学的融合，并开设前沿叉学科课程，拓宽学生知识面。
2．教学模式和考核方式方面
教学模式和考核方式方面改革，课程教学与考核结合工程实际进行，专业课强调案例教学。通过课堂理论教学、研究性学习和企业实践性学习三段式的培养，实现培养模式创新。学生一年时间到企业顶岗或挂职，接受工程实践训练，并结合企业生产实际完成相关课程与毕业设计（工程设计）。
3．学生管理方面
学生管理方面实行校内、外双导师制。在企业的生产实习、企业实践与毕业设计的教学过程中，采用“双导师制”，即学生下派企业的同时，一个企业指定一名学院内在职教师为指导教师，长期与企业合作，与企业导师共同制定课程进度与相关内容等，为学生及时完成学业奠定基础。学生到达企业后，由企业指派高级技术人员（一般应为总工程师或部门负责人）为固定企业指导教师。
4．课程建设方面
把构建科学的卓越工程师培养课程体系，与实际的教学实践有机地结合起来，突出工程实践和创新能力，打造一批工程教育特色课程，一些面向企业实践性强的课程或项目聘请企业高级工程师授课或学生到企业通过动手实践完成，力争每一届学生有6门专业课是由具备5年以上在企业工作的工程经历教师主讲。
5．师资队伍建设方面
在每个企业中遴选出2～3名适合微电子专业各相关专业课程教学的高级专业人才，通过福州大学高等教师专业培训，正式聘任为福州大学教师，完成企业课程的授课任务与承担企业导师的工作。此外，学院的教师也应不定期地深入到相关企业进行调研和科研项目合作，加强校企的实质性深入合作，提高校内教师的工程素质与业务水平。同时鼓励中青年教师积极参加、探索新的教学模式和实验创新机制，逐步形成一支优秀教学团队，以培养一批中青年骨干教师。
二、卓越工程师培养计划的实施
目前正处于卓越工程师培养启动阶段，部分培养模式可对在校生进行试点，针对目前教学体制更注重学生的理论学习、实践环节明显不足、学生工程意识淡薄、毕业后很难让企业满意、学校的教学环节与企业的需求有较大的脱节等问题，并根据我省集成电路行业的发展状况和我校的现有条件，适当调整现有课程与课程的教学内容，适应微电子行业的人才结构需求，力争与福建省现有微电子企业联合培养集成电路方面的人才，探讨IC专业人才的培养模式与培养方案的创新和研发，是目前的工作重点。
1．课程体系的改革
深入集成电路的有关企业调研，了解企业需求，对2009级《微电子学专业培养计划》已做了很大修改，课程设置突出工程实践和创新能力的培养，培养方案与目标比较接近于企业的要求。这些变化体现在大多数理论课程之后都设置了相应的应用课程，比如数电、模电、C语言、数字集成电路设计、模拟集成电路设计、微机原理等课程，不仅有相应的课内实验，还有相应的课程设计，将刚学到的基础知识赋予实践，不仅巩固了基础知识，加深了理解，而且也培养了学生学以致用的能力。
2．本科第四学年的教学安排
根据卓越工程师培养方案的要求，第四学年应安排一些实践性的、研究性的课程，比如毕业实习、科研实践、毕业设计、项目研发管理等，这些课程可以带到企业中完成，可以结合各个企业的实际情况，做相应的课程研究，使得学生的研究内容来源于实际，使学生的学习与实际接轨。
3．课程建设方面
与实践相关的课程、教学内容要求直接使用目前行业流行的三大巨头软件，比如SPICE模拟设计与实验、逻辑设计与FPGA、数字集成电路CAD、模拟集成电路版图设计、集成电路制造工艺、集成电路可测性设计等课程的实验，都要求用目前市面上流行的软件工具与版本，并且教学内容要求来源于实际工程，逐步形成几门有特色的课程。
4．师资培养方面，加强现有教师参与企业项目研发的力度。
目前6名年青教师承担了福州福大海矽微电子有限公司的研发项目，研制的三个芯片已经完成MPW流片，经测试达到了设计技术要求，取得良好的效果；另有多名教师参与了福建省集成电路服务中心的建设与技术服务工作，逐步培养与锻炼了一批中青年骨干教师，形成了一支优秀的教学团队。
5．企业师资培养
在企业中遴选适合微电子各相关专业课程教学的高级专业人才，通过福州大学高等教师专业培训，正式聘任为福州大学教师，完成企业课程的授课任务与承担企业导师的工作。《集成电路实习》课程已经在ICC上课，07级的《教授讲座》由福州贝莱特集成电路有限公司的老总陈炳来教授承担。今后，其他相关课程的部分实践也将在该中心完成。
三、卓越工程师培养过程中存在的难点
1．企业难以接受学生实习
微电子行业都有较高的技术要求，企业一定是靠技术生存，各个单位对保护自己的商业秘密都非常重视，所以一般都不太愿意接受实习生。他们认为大学生没有实际工作能力，即使有，短时间内也不能很好地发挥出来为企业所用，所以企业接收大学生实习不仅没有得到免费的劳动力，而且还要冒着泄露商业机密的风险、需要付出各种代价，比如，至少必须给实习生安排办公位置及设备等，另外学生短时间内难以接手相关工作，还要让老职工去带，必然影响企业的进度安排，因此企业收益和成本相比得不偿失。总之，由于行业的原因，企业难以接受学生实习，这是微电子学专业卓越工程师培养实践过程的最大难点。
2．诚信问题
现在企业愿意接受学生实习的，大多是希望学生毕业后能够到企业来工作，这样相当于学生提前一年来企业实习，企业可以少培养学生一年，这对于学生、企业都是一件双赢的好事。但出现了很多学生毕业后又不去这个企业工作，失信于企业，以至于企业认为现在的学生诚信差，眼高手低在企业呆不住，打击了很多企业的热情。
3．学生管理上的难题
学生分散于各个企业实习，给学生管理带来了很大的难度，如学生在外地，老师很难经常去检查学生的情况，如在本地实习，学生大多还会住在学校，则交通问题给学生的安全带来了隐患，学校存在很大的压力。
四、卓越工程师培养的出路
1．政府给予参与企业一定的优惠
目前实行本计划的难点之一在于企业的参与。建议教育部联合国家有关部门共同出台政策，调动企业接受学生实践并共同参与培养学生的积极性，例如给予参与本计划的企业在税收上的减免或经费补贴，或在企业申报国家有关部门科研立项，技改立项时给予优惠。
2．加强学生的诚信建设
如果学生的诚信度可以得到企业的信任，那么我们可以这样来分流学生：对于不考研的学生，可以以找工作单位的方式去找实习企业，与企业签定协议，毕业后到企业工作，这样企业基本上就会接受这一批学生；至于要参加考研的学生，可以到学校的各个研究室等参与老师的课题研究，或者由一些有实践经验的老师各自带几个学生做些实用性、综合性的设计，也可以得到一些工程性的实战。
3．加强学校自身科研机构的建设，让更多的学生可以在校参与科研研究。
4．在一些重点企业设置教育部门，参与学校的实践教学。
数字集成电路设计基础范文第6篇
文章编号：1671-489X（2014）18-0094-03
集成电路测试是集成电路产业不可或缺的一个重要环节，其贯穿了集成电路设计、生产与应用的整个过程。集成电路测试技术的发展相对滞后于其他环节，这在一定程度上制约了集成电路产业的发展。集成电路测试产业不但对测试设备依赖严重，对测试技术人员的理论基础和实践能力也有着较高要求。为应对上述挑战，加强电子类学生的就业竞争力，就要求学生在掌握集成电路工艺、设计基础知识的同时，还需具备集成电路测试与可测性设计的相关知识[1-2]。
目前，国内本科阶段开设集成电路测试与可测性设计课程的高校较少，学过的学生也多数反映比较抽象，不知如何学以致用。究其原因，主要是教学环节存在诸多问题[3]。为了提高该课程教学质量，本文对该课程教学内容、方法进行了初步的探索研究，以期激发学生的学习主动性，加深对该课程的理解和掌握。
1 理论教学结合实际应用
在理论教学中结合实际应用，有助于学生明确学习目的，提升学习兴趣。因此，讲授测试重要性时可以结合生活中的应用实例来展开。如目前汽车中的ABS电路如果不通过测试，将会造成人员和汽车的损伤；远程导弹中的制导电路不通过测试，将无法精确命中目标；制造业中的数控机床控制电路，交通信号灯的转向时间显示电路，家电产品中的MP3、MP4解码电路等，均需进行测试等。通过这些介绍，可以使学生了解测试的重要性，从而能更加主动地去掌握所学知识。
2 合理安排教学内容
针对集成电路测试与可测性设计的重要性，电子类专业在本科生三年级时开设集成电路测试与可测性设计课程。该课程的教材采用以中文教材《VLSI测试方法学和可测性设计》（雷绍允著）为主、以英文原版教材《数字系统测试与可测性设计》（Miron Abramovici著）为辅的形式，结合国外高校的授课内容和可测性设计在工业界的应用，对课程内容进行设计。课程定为48学时，课程内容大致分为集成电路测试、可测性设计和上机实验三个部分。
集成电路测试 这部分内容安排20个学时，主要讲解集成电路的常用测试设备、测试方法、集成电路的失效种类、常用的故障模型以及故障检测的方法。组合逻辑电路测试着重讲解测试图形生成方法，主流EDA软件核心算法，包括布尔差分法、D算法、PODEM以及FAN算法等。时序电路测试讲解时序电路的测试模型和方法，介绍时序电路的初始化、功能测试以及测试向量推导方法。
集成电路可测性设计 这部分内容安排16个学时，主要讲解集成电路专用可测性设计方法如电路分块、插入测试点、伪穷举、伪随机等一些较为成熟的可测性设计方法。同时讲解工业界较为流行的可测性设计结构。
上机实验 这部分内容安排12学时。目前主流测试与可测性设计EDA软件Synopsys属于商业软件，收费较高，难以在高校普及使用。为此，本课程选取开源软件ATALANTA和FSIM并基于ISCAS85标准电路，进行故障测试图形生成实验。此外，通过在实验手册中编排基于Quartus软件的电路可测性结构设计等内容，将实验和理论讲解有机结合。
3 培养学生举一反三的能力
创设问题情境，启发学生自主利用已学知识，积极思考、探索。如在讲授组合逻辑故障测试向量生成时，以较为简单的组合逻辑为例，对图1提出以下问题[4]。
1）为了能够反映在电路内部节点所存在的故障，必须对故障节点设置正常逻辑值的非量，这个步骤称为故障激活。对应于图1，如何激活故障G s-a-1？
2）为了能够将故障效应G传播到输出I，则沿着故障传播路径的所有门必须被选通，也就是敏化传播路径上的门。对应图1，如何传播故障G s-a-1？
3）根据激活和敏化故障的要求，如何设置对应的原始输入端的信号值？
通过提问思考和共同探讨，问题得以解决，学生印象深刻，对后续理解各种测试向量生成算法奠定基础。
4 实例讲解
集成电路测试与可测性设计是一门理论化较强的课程，学生在学习过程中可能会产生“学以何用”的疑问。为消除这些疑问，加强学生学习兴趣，明确学习目的，需要授课教师在课程讲解过程中穿插一些测试实例。为此，本课程以科研项目中所涉及的部分测试实例为样本，结合学生的掌握和接受能力加以简化，作为课堂讲解实例。
下面以某个整机系统中所涉及的一款数字编码器为例，进行功能和引脚规模的简化，最终形成图2所示的简化编码器原理图。针对该原理图和具体工作原理，讲解该编码器的基本测试方法和过程。
图2所示编码器有四个地址输入引脚（A0～A3），一个电源引脚VDD（5 V），一个时钟输入引脚CLK，一个输出引脚DOUT和一个接地引脚GND。在地址端（A0～A3）输入一组编码，经过编码器编码，在DOUT端串行输出。编码的规律如图3所示，编码输出顺序（先左后右）：A0编码A1编码A2编码A3编码同步位。
该测试实例主要围绕功能测试来进行具体讲解。功能测试通过真值表（测试图形）来验证编码器功能是否正确。编码器输入引脚可接三种状态：高电平（1）、低电平（0）和悬空（f）。本实例只列举三组真值表来对该编码器进行测试，即输入引脚分别为1010、0101、ffff。真值表中的每一行代表一个时钟周期（T）。H（高电平）和L（低电平）代表编码器正确编码时DOUT引脚的输出电平。针对1010的输入，参照图3编码规律和表1编码顺序，DOUT输出按A0 A1 A2 A3（1010）顺序实现编码，具体真值表如图4所示。
图4中Repeat n（n为自然数）代表重复验证该行n个时钟。该测试图形通过测试系统的开发环境编译器编译成测试机控制码，发送给测试系统控制器。测试系统发出被测电路所需的各种输入信号并捕获被测电路的输出引脚DOUT信号。当实际测试采样DOUT引脚所得信号与测试图形中的期望输出完全相符时，表示被测电路功能正确，测试通过。反之，则提示有错，编码器功能失效。同样，当输入分别为0101和ffff时，测试图形如图5、图6所示。
实际数字集成电路测试的过程远比上述过程复杂，本例中所讲解的功能测试是一种不完全测试，测试的故障覆盖率和测试效果有待商榷。然而，无论多复杂的功能测试，其主要测试原理基本类似。通过这样的测试实例讲解，能够让学生了解测试图形的功能，熟悉数字电路测试的大体过程和基本原理，加深对理论知识的理解。
5 重视与相关学科的交叉衔接
作为电子类的专业课，本课程横跨计算机软件技术、电路设计技术、数学、物理等多个领域。有鉴于此，在教学中应尽可能地体现集成电路测试与可测性设计与其他课程的关系，在教学中为后续课程打下基础。
数字集成电路设计基础范文第7篇
【关键词】电工电子 网络课程 系统仿真 EDA
【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2009）02－0013－02
一、电工学课程的定位
《电工学》是大学理工科非电专业学生必修的一门重要技术基础课。主要任务是为学生学习专业知识和从事工程技术工作奠定电工技术与电子技术的理论基础，并使他们受到必要的基本技能训练。［1、2］不仅使学生获得完整和扎实的电工和电子方面必要的基础理论、基本知识和基本技能，还可以培养学生严密的逻辑思维能力、计算能力、综合分析和解决问题的能力、初步的科学实验能力。
二、国外重点大学电工学讲授的内容
根据国内的实际情况和技术课程要指导实践，服务于社会的原则，国内外重点大学所讲授的电工学的基本内容有很大的不同，下面就美国普林斯顿大学和莫斯科、彼得堡的重点大学以及国内重点大学所讲授的内容比较：
1．国外教学内容
根据美国J.R.Cogdell著《电气工程学概论》内容反映出在美国电工学所讲授的主要内容该书主要分4部分：［3］第I部分 电路32%（第1章 基本电路理论；第2章 直流电路分析；第3章 动态电路；第4章 交流电路分析；第5章 交流电路中的功率；第6章 电力系统。）第II部分电子技术23%（第7章 半导体器件与电路；第8章 数字电子技术；第9章 模拟电路。）第Ⅲ部分 系统18%（第10章 测试设备系统；第11章 通信系统；第12章 线性系统；第13章 机电学物理基础。）第Ⅳ部分 电动机27%（第14章 磁结构与变压器；第15章 同步电机；第16章 异步电动机；第17章 直流电动机；第18章 功率电子系统。）
美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, at San Diego，简称UCSD）电气与计算机工程系（Electrical and Computer Engineering Department, ECE）在讲授电工学时，分低、高年级开设课程具体情况是：［4］
低年级的一级公共课程中与电工学相关的课程：
（1）电气工程导论（Introduction to Electrical Engineering I/II）：主要介绍电路基本定律、半导体器件、基本模拟电路和数字电路。
（2）电气工程基础（Fundamentals of Electrical Engineering I/II）：讲解有源和无源电路的分析和设计、模拟和数字系统的分析和设计。
（3）电路与系统（Circuits and Systems I/II）：讲解电路原理、电路和网络的分析。
（4）电路与系统实验（Circuits and Systems Laboratory）：通过实验对实际的有源和无源电路进行建模、仿真和设计。
低年级的二级公共课程中与电子技术相关的课程：
（1）有源电路设计导论（Introduction to Active Circuit Design）：相当于国内的模拟电子技术基础课程。
（2）数字电路（Digital Circuit）：相当于国内的数字电子技术基础课程。
ECE系的专业课程分为10个方向的系列课程，学生可选修1～2个方向的系列课程。
高年级与电子电路和系统（Electronics Circuits and Systems）方向相关的课程：
（1）电子电路和系统（Electronic Circuits and Systems）。
（2）模拟集成电路设计（Analog Integrated Circuit Design）。
（3）数字集成电路设计（Digital Integrated Circuit Design）。
（4）高级数字设计项目（Advanced Digital Design Project）。
（5）计算机接口（Computer Interfacing）。
（6）数字信号处理导论（Introduction to Digital Signal Proces
sing）。
（7）数字信号处理I（Digital Signal Processing I）。
（8）微波系统和电路（Microwave Systems and Circuits）。
加州大学伯克利分校（UC Berkeley）电气工程与计算机科学系（Electrical Engineering and Computer Science Department, EECS）。
低阶段的三门课程：
（1）微电子电路导论（Introduction to Microelectronic Circuits）、全系必修
（2）电子学导论以及电子学导论实验两门课程，为计算机专业开设高阶段核心课程：①微电子器件和电路（Microelectronic Devices and Circuits）。②电力电子学（Power Electronics）。③集成电路器件（Integrated-Circuit Devices）。
高阶段其它课程：线性和非线性电路（Linear and Nonlinear Circuits）、半导体电子学（Semiconductor Electronics）、线性集成电路（Linear Integrated Circuits）、数字集成电路导论（Introduction to Digital Integrated Circuits）。
2．国内重点大学电工学讲授的内容
国内重点大学根据各自的培养方案、教学目标，每个学校都制定有符合自己定位的电工学教学大纲，在制定教学大纲时必须明白电工学课程在非电类专业培养方案中充当的角色？涵盖所有涉及电子电气的相关学科内容？基本立足点是什么？培养方案是否要修正？弄明白这几个问题的同时才能给电工学课程两个合理的定位，基础性定位：建立电子电气工程基础理论、基本方法不应演变成大学科导论；培养电子电气工程基本技能不应演变成某些产品的应用培训。通过国内电工学的教材演变放映电工的讲授内容。
国内电工学教材的编写有一个历史的过程：［6］
上世纪五十年代至六十年代，电工学课程基本套用原苏联的教材以引进、翻译为主，主要代表有：基泰耶夫和格列夫切夫编写的“普通电工学”和罗蒙诺索夫编写的“电工学基础”。
主要内容编排为：直流电路、电场、交流电路、三相电路、电工测量及仪表、变压器、感应电动机、同步电机、直流电机、电子仪器、电热、电气照明、电力网、发电与变电。
上世纪六十年代至七十年代末，在借鉴原苏联教材基础上，自编电工学教材，内容结构基本上沿用苏联教材体系以直流和交流电路、电机、电气控制为主，电子技术成分比较少。这与当时科学技术发展现状吻合。主要代表：哈尔滨工业大学.秦曾煌.《电工学》多学时；大连工学院工业大学.蒋德川.《电工学》中学时；天津大学工业大学.姚海彬.《电工学》少学时。
上世纪八十年代，电工学课程呈现多种发展模式，百花齐放，各校在恢复招生的带动下，纷纷组织教师自编教材课程内容、学时分配等呈现较大差异。为了保障教学水平，高教部（国家教委）组织编写全国统编教材，各个部委也相继出了各自的全国统编教材，1987年国家教委制定《电工学课程教学基本要求》。
上世纪八十年代末，随着科学技术的快速发展，大量新技术、新知识的涌现，电子技术的内容及其在电工学中所占的比重发生了很大的变化。《电工学》名称的本身已经不能较好地表达其中内容所涉及的范围。为了适应科学技术本身的快速发展和相应学科专业调整、变化对于电工、电子技术的需要，教育部《电工学》课程教学指导委员会将原来得一门《电工学》课程划分为：“电工技术”和“电子技术”两门独立的课程。
1995年修订的电工学课程教学基本要求，电工学课程分为三种类型：电工技术（电工学I）（55～70学时）；电子技术（电工学II）（55～70学时）；电路和电子技术（100～110学时）。上世纪九十年代中期后，电工学课程发展更加广泛。
已经普遍认同的有以下几点：
（1）电工学实际上是面向非电类专业的电工电子技术基础系列课程。
（2）根据专业特点，应该构建多种模式的电工学课程。
（3）电工学系列课程中电子技术的比例应得到加强。
（4）新技术（如PLC）应适时补充进电工学课程教学内容。
（5）新方法（如EDA）应纳入电工学课程。
2003年教育部要求教学指导委员会研究各专业培养方案和基础课程教学基本要求：
（1）按照基础性原则分模块给出基本要求。
（2）考虑不同专业需求，给出了基本模块和可选模块。
（3）在各模块中也考专业差异设置了若干可选内容。
（4）刚性（最低要求）和柔性（可选）相结合。
基本模块：
（1）电路理论。
（2）模拟电子技术。
（3）数字电子技术。
可选模块：
（1）电机及传动控制。
（2）电工测量。
（3）安全用电。
（4）EDA技术。
三、教学方法
对于电工学的教学方法国内外随着科学技术的发展都有一个过程，大致基本相同，国内的教学方法并不落后，只是在理论教学和实践教学上有较大的区别，说明国外的大学重视学生的应用能力培养，而国内的大学则侧重于理论教育。
1．国内大学的教学方法
80年代，传统教学方法：挂图、板书、模型，该方法的特点是：
（1）教学过程的艺术性强。
（2）课堂教学信息量受限。
（3）教师个性化发挥对教学质量影响大。
（4）对教师素质要求高。
（5）不同教师差异大。
90年代以来，CAI、EDA、电子教案、多媒体、课程网站、仿真手段、网络交互，该方法的特点：
（1）计算机的引入，突破了课堂信息量限制。
（2）新手段对老教师产生冲击。
（3）媒体增多，如何协调成为问题。
（4）学校教学设施开始显得不足。
（5）计算机多媒体手段已经被广泛接受。
（6）网络课程登场（2001～2003）。
（7）“在堂”学习和“离堂”学习。
（8）课程网站突破了学习空间和时间限制。
（9）网络交互功能必不可少。
（10）学生参与还很不够，需要解决“我要学”和“要我学”的根本问题。
2．国外重点大学的教学方法
国外重点大学在教学方法上其实和国内的教学方法基本上差不多，只不过在电工学的授课学时上有很大的区别，下面就莫斯科和彼得堡的重点大学（莫斯科动力学院）的“电工理论基础”为例说明国外的教学方法，在莫斯科动力学院的电工学课程，共学3个学期（第三、四、五学期）（在莫斯科和彼得堡的重点大学，共学4个学期）。
莫斯科动力学院的电工学授课：［7］共36＋36＋36＝108个课时（在莫斯科和彼得堡的重点大学，共51＋51＋51＝153个课时）实践课学时：共36＋36＋36＝108个课时，实验课学时：共36＋36＋36＝108个课时（莫斯科动力学院的学生还将完计算机典型计算0＋0＋0＋36＝36个课时），另外，莫斯科动力学院“电工理论基础”教研室还开设有“电工学的信息技术”课程：授课18个课时；实验课程36个课时。
四、结 论
随着教育国际化的不断发展，教育信息化的进程在不断深化中，电工电子基础课程的信息化建设也将不断地被推进。面对诸多挑战，国内高校基础课教师应积极应对，树立新的教育观念，提高自身的信息素养，改变教学方法，提升科研能力，努力提高自身的综合素质。随着教育全球化进程的深化，我国的基础课教学在教学内容和教学方法上将会不断的完善和提高，全球的教育网络资源建设会越来越完善，条块分割、各自为政的局面将会得到彻底地改变，学科、院校间的交流将会不断发展。
参考文献
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5 王中向、黎辉文.试论教育信息化对高校教师培训的影响及其对策.广东广播电视大学学报，2004.2（50）
数字集成电路设计基础范文第8篇
关键词:低功耗;SoC;CMOS;功耗估计;
The Application of Low-Power Methods in SoC Design
Abstract: SOC design occupies an important position in IC design market. The low-power design is an important part in SoC design process. This paper firstly gives a comprehensive analysis of the composed of CMOS circuit power consumption and the related theory of power estimation, then analyzes the SoC low-power design theory of various design levels in detail.
Keywords: low-power,SoC,CMOS,power estimation
1引言
随着工艺水平的不断发展,集成电路设计已经进入超深亚微米(Deep Sub-Micron,DSM)和纳米的SoC时代,设计规模越来越大,单一SoC芯片的集成度已经达到了上亿门。在之前的集成电路设计中,设计者首要关心的芯片性能往往是面积与速度,然后才是功耗。到了深亚微米阶段,功耗设计在芯片设计中所占的比重开始上升到与面积和速度同等重要的程度,设计人员需从功耗、性能和成本三者之间取得折衷。据统计数据分析,目前市场上的一些功能强大的微处理器芯片功耗可达100-150 W,平均功耗密度可达50-75 W/cm2。而芯片上某些热点(hot spots)的功耗更是数倍于这一数值。功耗问题的重要性在便携式数码产品芯片的设计中显现的尤为突出。便携式产品要求重量轻、电池续航时间长,而电池技术发展不能跟上这一要求,这就间接使芯片的低功耗设计面临更严峻的挑战。
2集成电路功耗组成
对SoC芯片进行低功耗设计,首先必须从各个方面弄清集成电路的功耗组成,然后采用适当的方法,有针对性地对设计从系统方案到物理版图各个设计阶段进行低功耗分析。由于在当前芯片设计制造中,CMOS电路仍然占据主要位置,以下将从CMOS电路的特点入手讨论数字集成电路的功耗组成。
2.1 功耗组成
SoC中的功耗大致可分为三个部分,即处理器功耗、通讯功耗以及存储器功耗。处理器功耗和通讯功耗又可统称为逻辑电路功耗。
CMOS逻辑电路功耗主要有两部分组成,即动态功耗与静态功耗。动态功耗是指当芯片处于激活(active)状态时,也即信号发生跳变时的功耗;静态功耗是指芯片处于未激活状态或者说没有信号的跳变时的功耗。
2.2 动态功耗
在CMOS电路中,动态功耗主要由交流开关功耗和直流开关功耗两部分组成。交流开关功耗又称为负载电容功耗,是指电路对负载电容充放电形成电流所引起的功耗;直流开关功耗又称短路功耗,是指输出电压变化时由PMOS管和NMOS管在同一时间导通产生的瞬态电流所引起的功耗。
2.2.1 交流开关功耗
交流开关功耗由门的输出电容充放电形成,是CMOS电路动态功耗的首要来源。以CMOS反相器为例,设电源电压为Vdd,输出端负载电容为CL。当输入信号电平分别由高向低或由低向高转换时,对应输出端情况分别为Vdd对电容CL的充放电,从而形成了交流开关功耗,如图1所示。交流开关功耗表示如下。
PD =αCLfVdd2
式中,α为节点的翻转概率,f为电路时钟频率。
2.2.2 直流开关功耗
由于在实际电路中,输入信号的跳变过程总是需要一定的时间,因此当输入电压落到VTn和Vdd-|VTp|的区间内时(VTn和VTp 分别为NMOS管和PMOS管的阈值电压),两管会同时处于导通状态,从而在电源与地之间产生了一条电流通路。由此短路电流产生的功耗就叫做直流开关功耗,也称为短路功耗,如图2所示。
2.3 静态功耗
静态功耗主要是指泄漏电流所引起的功耗,又称泄漏功耗。CMOS电路中主要存在有四种泄漏电流:亚阈值泄漏电流(IDS)、栅泄漏电流(IGATE)、门栅感应漏极泄漏电流(IGIDL)以及反偏结泄漏电流(IREV)。芯片的静态功耗就是由总的泄漏电流引起的功耗之和。可表示为:
Pleakage =Vdd*(IDS +IGATE +IGIDL +IREV)
短路功耗和静态泄漏功耗在深亚微米工艺下占总功耗的比例很小,基本达到可以忽略的程度,此时开关功耗是主要因素。然而,随着工艺技术发展到纳米工艺水平时,泄漏电流造成的功耗将会大大地增加,在某些65 nm工艺中,泄漏电流大小已经达到接近动态电流的水平。
2.4 存储器功耗
存储器是SoC系统的重要组成部分。随着视频、音频等多媒体芯片上存储应用的迅速发展,存储系统功耗日益增加,已经成为SoC系统功耗的重要组成部分。由于在SoC系统设计中,要实现设计功能,往往需要对存储器频繁读写,这样势必会增加大量存储器系统功耗,因此,需要研究可行的设计方案来降低由于存储系统引起的功耗,以提高系统性能,保证系统能够稳定工作。
3低功耗设计方法及实现
在SoC芯片设计流程的各个阶段都需要进行低功耗设计的分析,并采用合适的方法进行低功耗设计。根据集成电路的设计流程由高到低具体包括体系结构级、电路级、寄存器传输(RTL)级以及门级与晶体管级设计。而在进行低功耗设计之前,则首先要进行功耗估计,从整体了解设计的功耗信息以及把握功耗优化的效果。
3.1 功耗估计技术
功耗估计技术是进行系统芯片功耗优化的重要环节,设计过程中如果没有对设计准确迅速的功耗估计,就无法把握所使用的功耗优化技术的效果,低功耗设计也就无从谈起。另外,通过功耗估计能尽早发现电路设计中存在的一些功耗问题,从而尽量避免可能出现的由功耗问题引起的重复设计。功耗估计的方法分为概率分析法和仿真分析法。
概率分析法可以快速估算功率,但精确度有限。目前使用较多的是基于矢量输入的动态仿真方法,即使用仿真工具利用综合或是布局布线阶段得到的门级网表进行动态仿真,得到电路的开关活动性信息,再进行反标,然后根据工艺库的数据从而得到具体功耗。利用动态仿真方法进行功耗分析的关键因素有两个:一是要能够提供合适的输入信号矢量;二是需要足够长的时间进行动态仿真以确保其覆盖率。
3.2 体系结构级设计
进行体系结构设计时,首先可以利用并行处理的技术,在不影响电路基本工作性能的基础上尽量降低其工作频率,从而大大降低功耗。其次,流水线技术也是降低功耗的重要途径之一。其核心思想就是将系统中相同或者相似的一系列操作通过时间上串行,空间上并行的方式实现,其时空图如图3所示。
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图中以五级流水线为例,运算总共分成完成时间近似相等的五个步骤,和之前相比,路径长度缩短为原来的,这样,在一个时钟周期t内,充放电电容变为原来的。因此,在相同的电路速度下,可以采用较低的电源电压来驱动系统工作,从而降低了系统功耗。
3.3 电路级设计
通常在SoC电路设计中往往会包含较多的总线,而总线一般都会给电路带来长连线、大电阻和大负载等效应。由此引起的功耗约占总功耗的15%～20%以至更高,因此电路总线的低功耗设计技术也成为SoC设计重点考虑的问题之一。目前比较成熟的总线低功耗设计技术是减摆幅设计Vswing 。定义输出电压高电平为,那么跳变功耗表示如下:
Ps =AVCVswing f
由此可见,降低Vswing 可以达到降低功耗的目的。
另外,电荷再循环总线结构(Charge Recycling Bus)是另外一种降低总线功耗的技术,它把整个电势差分成几等份,利用总线各数据位电容上存储的电荷电势的变化来传输数据,其本质上也是利用了减摆幅技术。
3.4 RTL级设计
3.4.1门控时钟设计
门控时钟是一种应用较为广泛的低功耗设计技术。它是通过减少电路中冗余状态翻转,即让一些暂时不工作的单元处于非触发状态,当需要这些单元工作时,再用使能信号进行触发。借助门控时钟插入技术可以减小由于不必要的时钟跳变而产生的动态功耗。如图4所示,使用控制信号en来完成门控。门控后的时钟信号gclk送到寄存器中。这样,当en为“0”时,该时钟被关掉;en为“1”时,clk被传送给gclk,寄存器正常工作。
在实际的设计过程中,可以借助DC中Power Compiler工具中的相关命令,实现门控单元的插入。
3.4.2 操作数隔离
操作数隔离主要是针对系统中的算术、逻辑运算模块进行低功耗设计,其核心思想是增加额外的数据选择器,通过控制选择器的使能端,在不需要进行算术以及逻辑运算时,使这些模块的输入保持为“0”,从而不让操作数进来,输出结果不会翻转;而如果需要进行这方面的运算时,再将它们打开。
如图5所示为利用操作数隔离设计一个简单加法器的例子。当系统不需要加法运算的时候,adder_en信号为“0”,则加法器的两个输入端都保持“0”,其输出不会发生任何翻转,不会产生动态功耗,而如果需要进行加法运算时,adder_en变成“1”,数据端a,b信号被送入加法器进行加法运算。
3.4.3 存储器分块访问
一个系统中往往需要引入片上存储器,用来存储特定的指令集或运算的中间结果,而片上存储器的加入则会引起功耗的增加。如前所述,SoC设计中存储器带来的功耗已经越来越不容忽视,必须采用适当的设计方法降低存储器的功耗。
存储器分块访问方法是指根据电路中存储器的工作情况,将系统所需要的一定容量的存储器分成相同容量大小的两块或多块,然后通过适当的片选译码实时决定哪片存储器处于工作状态。当然,利用这一方法降低功耗的同时也会不可避免的增加芯片的面积,因此设计中要权衡考虑。
3.5 门级与晶体管级设计
门级与晶体管级是在芯片功耗、性能之间进行折中的最直接的设计层次。在门级设计阶段,主要方法是将节点翻转率比较高的逻辑门合并到复杂的门电路中,从而降低节点的等效电容,以达到降低功耗的目的。另外,逻辑门驱动能力大小的选择也会影响到功耗,一般尽量选择节点电容较小的逻辑门以降低功耗,但这样做也可能会对电路的时序产生相应影响。
晶体管级设计阶段,一般采取先进的制造工艺来降低功耗。比如,采用更小的晶体管特征尺寸使电路负载电容减小,从而使电路的开关功耗随之减小。另外还可以采用低阈值电压器件降低功耗,由于高阈值电压可以有效地减少电路的亚阈值漏电流功耗,减小阈值电压会导致静态功耗呈指数级增加。因此,可以在电路的非关键路径上采用高阈值电压的逻辑器件,在关键路径上采用低阈值电压器件以取得电路性能和功耗的折中。
4 总结
随着工艺的发展,芯片集成度的规模与日俱增,单一SoC芯片的功耗也逐渐达到让人难以接受的
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程度。功耗问题在深亚微米及纳米工艺条件下系统设计中的瓶颈效应日益加剧,低功耗设计也成为新一代SoC设计方法学的重要内容。低功耗设计贯穿于SoC设计的各个层次中,从最顶层的体系架构设计到最底层的晶体管级设计,都有低功耗设计思想的体现。
参考文献
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