全定制集成电路设计教学改革探讨

邓小莺　林鑫

摘要：《全定制集成电路设计》是本科集成电路相关专业对理论和实践都要求较高的专业基础课程。该文以设计一个满足延时参数的反相器为例，介绍一种实验教学方法，帮助学生理解课堂上介绍的两种延时计算模型，并掌握全定制集成电路基本单元库的设计方法及其相关EDA工具。学生通过两种延时模型的计算结果与仿真结果的比较，既能深刻理解书本上的理论知识，又能实际掌握全定制集成电路的设计能力，极大地激发了学生的学习积极性和创造性，并取得了良好的教学效果。

关键词：全定制集成电路；EDA工具；教学改革

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）01-0120-04

Research of Education Reform of Full-Custom Integrated Circuit Design

DEND Xiao-ying，LIN Xin

（College of Information Engineering， Shenzhen University， Shenzhen 518060， China）

Abstract："Full custom integrated circuit design" is a professional basic course that requires undergraduate students majored in integrated circuit understanding the theory profoundly and more practical skills. This paper introduces a method of experimental teaching to help students understand two kinds of delay calculation model by designing a inverter with satisfying delay parameters as an example. It also helps student master the design method of stand cells for full custom integrated circuit and the related EDA tools. By comparing the two delay model calculation results with the simulation results， the students can not only comprehend the theoretical knowledge in a straight way， but also gain the skill of full-custom integrated circuit design. Therefore， the initiative and creativeness of the student are stimulated and a good effect is obtained.

Key words： Full-custom Integrated circuit； EDA tool； educational reforms

信息產业蓬勃发展离不开日新月异的集成电路技术。由于我国集成电路产业起步较西方发达国家晚，技术相对落后，虽然我国集成电路设计技术在不断发展，工艺水平在不断进步，但是还远未达到世界先进水平，人才缺口还很大。根据统计，2012年中国IC设计的人才需求是30万人，而目前中国大学培养的毕业生远远达不到需求数量[1]。近年来国家已经出台了一系列的相关政策来推动集成电路产业的发展。我国正大力发展微电子技术，并在上海浦东等地建立了微电子产业化基地，因而急需集成电路设计、工艺技术、产品开发和应用、封装、测试等各个层次的微电子专业人才[2]。作为高校，如何培养新一代合格的集成电路相关技术人才既是责任，又具有很强的现实意义。

学习和掌握全定制集成电路设计的基本理论和方法，对将来准备从事诸如FPGA、ASIC、IP设计等工作的工科学生来说必不可少。国内开设集成电路相关专业的高校不多，甚至部分高校的学生讲授的是以信号与系统、数字电路、电子线路、通信原理等为主的基础课，与微电子专业背景的学生相比他们并不具备足够的半导体物理、场效应管原理等知识，所以授课的时候必须把这一点考虑进去。如何改变传统教学思路，找到一种适合非微电子专业本科生的教学方式，从而使得本科非微电子专业的学生能更深刻理解全定制集成电路设计的基本知识，掌握一定集成电路的设计方法和技巧就显得非常重要。

1 《 全定制集成电路设计》课堂中适当加入新技术动态，培养学生对集成电路方向的兴趣

一般教材通常让学生对新知识做个一个简单的、基础的认识，以便学生能够迅速地理解其中的知识点达到教学的目的，学生可能只是机械地记忆为了应付后面课程的考核，这样其实达不到教学目的。学生可能上完这个课后过一段时间就把这门课程的内容忘得一干二净，其中一个很主要的原因是，学生认为课堂上和课本上讲的知识与目前的科技水平、工艺水平、工程应用等差距比较大而提不起兴趣，认为课程内容落后、实用性不强而产生消极的学习情绪。综观集成电路的发展过程可以知道，几十年来大约每三年，集成电路的集成度就要翻两番，器件尺寸则是每三年以0.7的比率缩小[3]。这其中不乏各种新型的、改良的器件代替传统器件的过程。新的工艺、新的方法不断出现要求我们要不断调整、完善教学内容。教材上知识的更新周期相对于集成电路发展突发猛进显得有点力不从心，如果传统教学过程中适当插入新的理论和新技术，既能通过二者的变化了解目前技术发展的走向，又能激发学生在学习这门课程之后对本学科、本领域进行进一步研究的兴趣。

作者在《全定制集成电路设计》课程中讲到MOS器件与工艺基础部分时，介绍了摩尔定律面临的最大挑战是高速发展的半导体技术和半导体工艺发展瓶颈这对不可避免的矛盾，介绍了近几年器件特征尺寸是怎么不断的缩小以及其带来的一系列待解决的难题，最后介绍了几种最可能在本世纪取代硅CMOS的新型器件例如碳纳米晶体管（CNT）、分子晶体管、自旋晶体管等等。课堂上同学们注意力十分集中，并且有同学举手提问，表现出浓厚的学习兴趣。

2 改变传统的考查方式，让学生充分参与到课程中来

依照传统本科课程教育成绩计算方法，学生成绩由平时成绩和期末考试成绩组成。学生平时成绩一般依据学生出勤率和平时上课表现的综合构成。对于学生来说拿到较高平时成绩的关键在于每次出勤，久而久之学生就会由“因为我要学，所以我去上课”转变为“因为我要过，所以我去上课”，从主动去学习变为被动学习，学生的积极性下来了，教学质量也大打折扣。传统的一张试卷去“考”出学生学习效果的方式虽然比较简单省事，但却过于单调，虽然从某种程度上能够考查出学生对这门课程知识的掌握程度，但是对于激发学生在学完这门课程之后，对本学科、本领域进行进一步研究的兴趣却作用不大[4]。为了避免上述的这些情况，《全定制集成电路设计》考核方式应该作出调整。

作者认为通过布置课后小作业的方式代替原来以学生出勤和平时上课表现为主的考察方式更有利于学生深入学习《全定制集成电路设计》这门课程。在整个课程中穿插3-4次课后小作业，这些小作业紧跟着讲课的进度一环紧扣一环，课程最后需要完成的大作业则是几个小作业的一个综合应用。学生们在课后完成作业的过程中，围绕着课堂讲授的知识查阅资料，使用EDA工具验证、设计最后完成学习报告。让作业完成得比较好的同学在课堂上与其他同学交流学习经验，极大地提高学生课程学习的主动性。目前，《全定制集成电路设计》本科课程采用这样的考核方式取得良好的效果。

3 教学过程中结合EDA工具，培养学生的实践意识和动手能力。

全定制集成电路设计是一门实践性很强的学科，若高校在授课过程只是进行传统的书面讲解或者公式上的推导，这个过程是一旦抽象、复杂不容易理解，学生就容易感到枯燥。EDA工具作为现代集成电路技术的核心，它使得设计者可以用软件的方式设计硬件，也可以使用計算机进行电路的仿真和验证。EDA仿真工具里面的“虚拟器件”、“虚拟仪器”能让学生直观地观察电路不同的工作状态，还能根据使用者的要求把所需分析结果完整地打印到电脑屏幕上。学生若是在课堂上遇到较抽象不易理解的理论知识，使用EDA工具进行仿真可以帮助学生尽早从抽象的理论走出来。如Hspice、Spectre等EDA软件引入到课程教学中来有助于学生对教材知识有更深一层的认识，尽早的接触EDA工具也有助于学生将来进行更深入研究，也有利于学生工作中熟练使用不同的EDA工具。通过使用Hspice对数字集成电路的仿真可以得到比理论计算更接近于实际电路的。学生可以从理论计算与仿真结果进行对照、比较的过程学到课本没有涉及的一些知识，学生分析问题、解决问题的能力有所提高。

4 改革探讨实践

以下是学生完成的一次小作业的内容，学生用EDA工具验证倒相器两种不同延时模型的正确性。学生完成的这次作业不但巩固了课堂上所学的理论知识，还进一步了解了器件建模的过程。

图1是一个CMOS倒相器电路典型结构，由一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管配对而成，两个器件漏极相连与输出端Vo，各自源极S和衬底分别接低电位和高电位，栅极相连作为输入端Vi，图中CL为倒相器负载电容。当输入信号Vi为高电平（逻辑1） 时，NMOS晶体管导通，PMOS晶体管截止，此时Vo的电位为低电平（逻辑0）；当输入信号Vi为低电平时（逻辑0）时，NMOS晶体管截止，PMOS晶体管导通，Vo的电位为高电平（逻辑1） ，该电路实现了对输入信号Vi进行反相的功能。

上升时间tr是指输入为阶跃波的时候，输出信号从0.1Vdd到0.9Vdd的这段时间；下降时间tf刚好相反，指的是输入为阶跃波条件下，输出信号从0.9Vdd下降到0.1Vdd所经历的时间，如图2所示。倒相器上升时间tr和下降时间tf的可以通过两个不同的模型计算得到。MOS晶体管导通后给负载电容CL充电或者放电。上升时间或者下降时间可以认为是负载电容CL充电或者放电时间，第一个等效模型如图3所示。

以PMOS晶体管为例，此时流过电容CL的电流IDP则为：

由于IDP是随着Vout的变化而变化的，当Vout小于PMOS阈值电压Vtp的绝对值，那么PMOS工作在饱和区；反之当Vout大于阈值电压Vtp的绝对值PMOS工作在线性区。公式（1） 联合萨氏方程，忽略沟道长度调制作用时：

CMOS倒相器也可以等效成如图4的开关模型，由此观察到门的响应时间是由通过MOS晶体管等效电阻Req与电容CL决定的，而平均延时就可以由一阶线性RC电路分析得到，Rn和Rp分别为晶体管工作时对应的等效导通电阻。

分析图4所示等效模型的传播延时其实就是分析一阶线性RC电路，利用MOS晶体管的平均导通电阻Req表达式即可很容易算出平均传播时延，其公式表达式如公式（6） 所示：

倒相器延时计算模型tP相当于一阶线性RC电路的时间常数。联合公式（6） 和公式（7） 可以得到倒相器第二种延时模型计算公式，如公式（8） 所示。

[tp=0.69CLReqN+ReqP/2=0.52CLVDD1IDSATN1-79λNVDD+1IDSATP1-79λPVDD] （8）

为了更好的理解倒相器两种不同的延时模型，课后布置小作业，要求学生采用SMIC 0.18um标准CMOS工艺库，设计一个倒相器，当负载改变时，用Hspice仿真其延时，并与两种延时模型计算结果进行比较，根据实验结果分析哪种模型更精确并解释其原因。课堂上详细讲解上述两种延时模型的计算公式，学生利用这些条件即可完成两个延时模型的手工计算，最后用EDA软件对两个延时模型进行验证完成这次小作业。图5所示是学生进行比较的一个汇总，从这个汇总可以直观地观察到到第二种延时计算模型计算结果更接近于EDA工具的仿真结果。第二种延时计算模型在实际应用上比第一种延时计算模型更为精确。学生通过这次课后作业不仅深刻了解了两个模型的计算方法，对器件建模有了初步认识，还学会了如何使用EDA工具对器件模型正确性进行仿真验证。

5 结束语

本文介绍的实验教学方法，不仅仅让同学是在上课过程中学习到全定制集成电路设计知识，且通过课后完成实践掌握了全定制集成电路基本设计方法和相关EDA工具的使用，培养学生养成了专业创新意识和自主学习的积极性，增进了《全定制集成电路设计》的授课效率，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1] 卫铭斐，王民，杨放，等.集成电路设计类EDA技术教学改革的探讨[J].电脑知识与技术，2012，8（19）4671-4672.

[2] 叶波，赵倩.“大规模集成电路设计”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2010（15）：104-106.

[3] 李伟华.VLSI设计基础[M].北京：电子工业出版社，2002.3-3.

[4] 武玉华，路而红.非微电子专业“专用集成电路设计”课程建设研究[J].南京：电气电子教学学报，2005，27（6）.