EDA开放平台与学生创新实践能力培养

陈玉洁，林 皎，高志强

(清华大学1.微电子所，2.计算机系，北京 100084)

集成电路在70年代发展成为一门学科，并很快成为信息技术领域的核心内容之一。随着集成电路的发展，芯片的复杂度和集成度越来越高，集成电路设计技术日益复杂，电子设计自动化EDA环境成为进行集成电路设计不可缺少的条件。EDA环境中包含计算机硬件、EDA软件、集成电路设计资源、工艺资源以及测试环境等。

1 EDA平台的建设

“清华信息科学与技术国家实验室”是科技部于2003年批准筹建的第一批五个国家实验室之一，作为国家实验室的基础设施平台。EDA平台本着全面开放、资源共享的理念，定位为我校集成电路设计领域教育与科研的网络化公共平台，提供EDA工具应用、设计资源、技术支持、人才培训等服务，为学校从事电子系统和集成电路设计的教学和科研工作提供高效、可靠的EDA设计、验证环境。该平台支持电子科学与技术、电子信息工程、计算机科学与技术等学科的建设，帮助校内其他学科开展集成电路设计相关的教学和研究工作。EDA平台还重点支持“微电子学与固体电子学”和“电路与系统”两个国家重点学科的教学和科研工作。

EDA平台采用高性能服务器与高端的数据中心相结合，形成高吞吐量、高传输处理能力和高可靠性的环境，提供当前工业界广泛使用的工艺模型、设计工具以及工业界常用的设计流程。本平台拥有Synopsys、Cadence和Mentor Graphics等芯片设计行业主流的EDA设计工具，涵盖了电子设计的整个流程，提供从系统级到版图级的全套设计工具和验证系统，包括系统级设计、功能验证、IC综合及布局布线、模拟、混合信号及射频IC设计、全定制IC设计、物理验证和硬件仿真建模等。平台的教学机房可容纳60 多人，并提供足够的软件许可证供使用［1，2］。服务器对校园网内的远程登陆全天候开放，用户可以在任何时间、连接校园网的任何地点使用EDA资源，大大拓展了学生的实际上机机时。

平台针对不同课程的需求，提供远程登陆和机房集中上机两种服务方式，对用户采取不同安全级别的管理办法，进行共享的管理和安全控制。对重要的数据增量备份，保证用户的数据安全，对不同课程的用户在服务器上分组管理，开放不同的权限。针对EDA工具种类多、更新快、专业性强的特点，我们建立了专业技术支撑体系、优化的设计流程、共享单元库和IP库和相关技术资源库，开展多项目芯片(MPW)服务。成为用户和EDA公司、代加工厂之间的桥梁，为师生使用EDA资源提供技术支持和技术保障。

2 基于EDA平台的实践教学

2.1 基础性实验

本平台提供了面向全体学生的基础性实验，针对数字集成电路与模拟集成电路涉及不同的理论基础、电路原理、电路分析和设计技术的特点，设计不同的实验内容，提供不同的实验环境和方案［3］。例如，作为微纳电子学专业必修的“工艺与器件模拟实验”课程，通过使用EDA平台的MEDICI软件对典型半导体器件如MOSFET的直流特性(转移特性和输出特性)进行模拟，让学生熟悉器件模拟的基本原理和流程，并对MOSFET晶体管器件的原理与特性有一定的了解。通过使用TSUPREM4工艺模拟软件对半导体集成电路制造过程中多项基本工艺步骤，如氧化、扩散以及离子注入等进行模拟，让学生熟悉硅集成电路制造的工艺步骤，掌握一些集成电路工艺的基本原理。这类基础验证性的实验难度较小，主要使学生获得感性的认识和体验，加深对理论知识的理解。

2.2 设计性实验［4］

设计性实验能够增强学生的实际应用能力，提高他们分析问题和解决问题的能力。例如“数字集成电路分析与设计”课程，在让学生掌握数字集成电路的工作原理与分析方法的基础上，通过同步时序电路的分析和设计、数据通路运算单元的分析与设计等实验，使学生掌握数字集成电路与系统的设计流程和基本方法，培养学生实际设计数字集成电路与系统的能力。“超大规模集成电路CAD”课程，采用16位5级流水线处理器作为设计对象，完成从仿真验证到物理版图的完整流程。学生通过这些实验，可以全面了解数字电路设计过程中需要的几种基本EDA工具的使用。

2.3 实践型工程项目

为了培养学生的综合工程设计能力，实践类课程以大作业和课程设计等方式设计了多个实践型工程项目。学生藉此可以了解集成电路设计的全过程和基本的电路设计技术。这些工程项目多数来源于实际的科研项目，能反映实际的工程需要。学生可通过完成这些工程项目，来提高解决实际工程项目的能力。

例如面向本科生的实践课“集成电路课程设计”，要求设计一个10位循环式模数转换器。实验从电路设计、电路仿真、版图编辑、版图验证、寄生参数提取和后仿真，贯通完整的设计流程，整个实验旨在加强学生的电路设计与分析能力。

面向研究生的实践课“集成电路设计实践”，平台提供了上华0.6um DPDM CMOS工艺流片与测试环境。学生通过这门课程可以体验到从前端设计、仿真、后端设计到流片和测试的集成电路设计的全过程:选定设计题目(可为SRAM，PLL，AD/DA等)，设计系统结构，设计电路，进行仿真分析，进行版图设计和验证，最后对加工好的实验芯片进行测试和总结。

3 平台在人才培养方面的作用

1)有利于提高实验教学质量

EDA平台提供的丰富的设计资源可满足不同层次实验的需要，加深学生对所学知识的综合理解与运用能力。切实做到理论联系实际，增强分析问题和解决问题的能力，激发学生的学习兴趣。通过多层次全方位的训练，对学生进行基本知识、综合设计能力和创新能力的培养，有效地提高学生的创新实践能力。

2)有利于提高工程能力

基于平台的各种资源，包括完整的设计流程工具和最新的工艺库，为学生提供自主设计芯片甚至流片的机会。学生通过课程设计、毕业设计、生产实习和研究生课题等教学环节，提高了工程设计和实践能力，促进了课堂教学与工业界的接轨，使学生能接触到相关学科发展的最前沿。

3)提升了研究创新能力

EDA平台在保障校内集成电路设计领域教学的同时，还支撑校内相关的科研工作。由于本科毕业设计和研究生课题大都与导师的科研课题密切相关，因此，具有工程型或者研究型特点。

4 结语

EDA平台每学年支持集成电路设计相关的实验上机课程十余门，为学生提供进行基础实验、设计训练和项目专题研究等教学实践环节必备的环境，受益学生每学年达600～700多人次，表1列出近四年开展课程实验的数据。以平台为基础的实践教学的开展，培养了学生的工程设计和实践能力，提升专业兴趣和创新能力，满足了“宽口径、创新型”的高素质人才培养定位和学科发展的需要。

表1 近四年EDA平台支持的课程实验的数量

［1］ 陈玉洁，高志强，胡苑.EDA平台的构建实现［J］.北京:实验技术与管理，2010(6):102-104

［2］ 毛剑波，易茂祥，王墨林.EDA实验室网络系统设计与管理［J］.北京:实验技术与管理，2005，22(9):57-59

［3］ 高圣伟，刘雪莉，罗菁.加强EDA实践教学初探［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(3):369-371

［4］ 陈莉平、任艳频、秦俭等.多层次开展EDA实践教学的探索［J］.北京:实验技术与管理，2008，25(10):92-93，114