本科生集成電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立

鄭麗霞 吳 金 趙 霞 徐 悅

東南大學(xué)無錫分校 江蘇無錫 214135

本科生集成電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立

鄭麗霞 吳 金 趙 霞 徐 悅

東南大學(xué)無錫分校 江蘇無錫 214135

集成電路專業(yè)是一門新型專業(yè)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，因此高校的培養(yǎng)方法也應(yīng)適合專業(yè)特點(diǎn)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)。根據(jù)目前企業(yè)界采用的設(shè)計(jì)流程，提出了在高校建立集成電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的方法，從平臺(tái)建立依據(jù)、EDA軟件、網(wǎng)絡(luò)組建、實(shí)訓(xùn)課程開展等進(jìn)行全面介紹。通過該平臺(tái)學(xué)生可以完成從電路設(shè)計(jì)直至MPW流片的芯片設(shè)計(jì)全過程，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)流程完整，EDA工具先進(jìn)，達(dá)到工業(yè)級要求。

集成電路；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中提出集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。我國的集成電路產(chǎn)業(yè)雖然在近幾年有較快速的發(fā)展，但與先進(jìn)國家相比，從制造到設(shè)計(jì)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)水平仍然有較大的差距。而人才培養(yǎng)無疑是提高我國集成電路產(chǎn)業(yè)水平的重要保障，高校是人才培養(yǎng)的重要平臺(tái)。如何培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求發(fā)展的新型人才是高校培養(yǎng)的基本要求。

作為一門新興專業(yè)，集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)具有門檻高、內(nèi)容新、發(fā)展快、屬交叉學(xué)科、與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密、實(shí)踐性強(qiáng)等一系列突出特點(diǎn)。但還沒有像其他專業(yè)一樣形成完整的知識(shí)體系，也沒有制定出專業(yè)的人才培養(yǎng)規(guī)范，導(dǎo)致我國各高校培養(yǎng)的集成電路專業(yè)人才無法適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的需要，造成高技能人才的緊缺。[1]

目前高校集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)以理論和實(shí)踐為主，但較注重理論教學(xué)，實(shí)踐培養(yǎng)還沒有形成體系。同時(shí)實(shí)踐教學(xué)中還面臨EDA工具陳舊等問題，例如一些學(xué)校采用Tanner Pro等軟件，與企業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)際使用的軟件不符，無法用于流片生產(chǎn)。同時(shí)在實(shí)踐的培養(yǎng)過程中缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生對整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)的流程沒有經(jīng)過系統(tǒng)訓(xùn)練，就業(yè)后無法從事完整的芯片設(shè)計(jì)。因此學(xué)校必須建立符合現(xiàn)代社會(huì)需求且完整的集成電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

1 平臺(tái)建立的依據(jù)

集成電路設(shè)計(jì)是一個(gè)較復(fù)雜的過程，涉及的流程較多，同時(shí)在考慮EDA軟件選用時(shí)要與企業(yè)接軌。因此我們平臺(tái)建立的總體依據(jù)是流程的完整性和工具的先進(jìn)性，學(xué)生通過平臺(tái)實(shí)訓(xùn)可以完成集成電路的整個(gè)流程，同時(shí)所設(shè)計(jì)電路可以達(dá)到工業(yè)級的生產(chǎn)要求。

1.1 流程的完整性

集成電路設(shè)計(jì)流程主要分為SOC和數(shù)?；旌螦SIC設(shè)計(jì)，考慮到學(xué)生實(shí)訓(xùn)的電路一般規(guī)模較小，同時(shí)要對學(xué)生進(jìn)行數(shù)字、模擬集成電路設(shè)計(jì)的全面培養(yǎng)，因此本平臺(tái)的建立以數(shù)?；旌螦SIC設(shè)計(jì)流程為依據(jù)，圖1所示為全定制數(shù)模混合IC設(shè)計(jì)流程。整個(gè)流程包含電路原理圖設(shè)計(jì)、電路前仿真、版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、版圖后仿真、導(dǎo)出GDSII數(shù)據(jù)用于流片。

圖1 全定制數(shù)?；旌螴C設(shè)計(jì)流程

1.2 工具的先進(jìn)性

目前工業(yè)界全定制ASIC設(shè)計(jì)的軟件為Cadence，這是一個(gè)大型的EDA 軟件，它幾乎可以完成電子設(shè)計(jì)的方方面面，包括ASIC設(shè)計(jì)、FPGA設(shè)計(jì)以及PCB板設(shè)計(jì)。Cadence在仿真、電路圖設(shè)計(jì)、自動(dòng)布局布線、版圖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等方面有著絕對優(yōu)勢。Cadence是一個(gè)完整的開發(fā)平臺(tái)，涉及集成電路設(shè)計(jì)的流程每一部分都有相應(yīng)的工具，表1為每一個(gè)流程采用的工具，在建立設(shè)計(jì)平臺(tái)過程中除了需要安裝Cadence外，表中相應(yīng)的tools也需要安裝，否則無法完成設(shè)計(jì)流程。

表1 平臺(tái)中所使用的相關(guān)軟件

2 實(shí)訓(xùn)過程的開展與平臺(tái)使用

2.1 網(wǎng)絡(luò)組建

由于Cadence軟件需要在Linux環(huán)境下運(yùn)行，同時(shí)考慮到與企業(yè)一致的工作方式，一般網(wǎng)絡(luò)組建采用以服務(wù)器為中心的運(yùn)行方式。主服務(wù)器安裝linux系統(tǒng)和Cadence軟件以及相應(yīng)的開發(fā)tools，學(xué)生可以通PC機(jī)安裝Xmanager軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄。學(xué)生一旦登錄服務(wù)器，使用過程比較方便，類似于在本機(jī)運(yùn)行軟件，學(xué)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以多人完成一個(gè)芯片的設(shè)計(jì)。在一些高校也有采用學(xué)生PC機(jī)安裝虛擬機(jī)，然后再導(dǎo)入Cadence鏡像文件的做法。[2]但這樣的方法只能進(jìn)行小型模塊電路設(shè)計(jì)，因?yàn)閿?shù)據(jù)本地存儲(chǔ)設(shè)計(jì)庫不能共享，學(xué)生之間無法分工合作，同時(shí)PC運(yùn)行速度較慢，因此真正的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)一般不建議采用這樣的方式。

2.2 實(shí)訓(xùn)開展方式

實(shí)踐教學(xué)是我國高等院校理工科專業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)之一，實(shí)踐教學(xué)水平直接關(guān)系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量，實(shí)踐教學(xué)的改革也是眾多院校教改研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。[3]實(shí)訓(xùn)的開展可以通過課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等以實(shí)踐為主的課程，定期舉行集成電路相關(guān)的競賽也是較好的方式。我校每年面向全校學(xué)生舉行集成電路設(shè)計(jì)競賽，分成仿真組與流片組，均可以使用該平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)學(xué)生可以結(jié)合個(gè)人所長以及社會(huì)需求等自由選題，競賽的方式可以提高學(xué)生參與的積極性。

實(shí)訓(xùn)課程選題要對學(xué)生進(jìn)行全面的鍛煉，由簡單到復(fù)雜，從基本的門電路到復(fù)雜的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)。D觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、運(yùn)算放大器、帶隙電壓基準(zhǔn)電路等都是較通用的IC電路，較好的設(shè)計(jì)可以作為平臺(tái)上的IP庫使用，通過慢慢積累學(xué)?？梢宰越ㄝ^完整的IP庫，學(xué)生可通過平臺(tái)完成復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)。

2.3 MPW計(jì)劃

學(xué)生在平臺(tái)完成設(shè)計(jì)后需要通過流片驗(yàn)證和測試才能最終完成一個(gè)芯片的設(shè)計(jì)過程，但是由于集成電路流片一次費(fèi)用昂貴，周期較長，以目前CSMC 0.5 um的工程批一次也近20萬，這不是一般的學(xué)校課程所能承擔(dān)。但是一個(gè)完整的集成電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)如果缺乏流片驗(yàn)證也是不完整的，學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果無法進(jìn)行芯片級的驗(yàn)證。

采用多項(xiàng)目晶圓(Multi-Project-Wafer)是一個(gè)較好的方法，簡稱MPW。MPW就是將多個(gè)相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)芯片放在同一圓晶片上流片，流片后每個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目可得到40片芯片樣品，這一數(shù)量對于原型(Prototype)設(shè)計(jì)階段的實(shí)驗(yàn)、測試已經(jīng)足夠。而流片費(fèi)用由參加MPW的項(xiàng)目按照芯片面積分?jǐn)偅杀緝H為原來的5%～10%，CSMC 0.5 um工藝的一次MPW僅為人民幣1萬元，一般學(xué)校都可以承擔(dān)。

3 結(jié)束語

針對集成電路專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建立與開展進(jìn)行介紹，對集成電路設(shè)計(jì)完整的流程以及相應(yīng)的EDA工具，網(wǎng)絡(luò)組建、實(shí)訓(xùn)的實(shí)施進(jìn)行了詳細(xì)的說明，學(xué)生利用該平臺(tái)可完成從電路原理圖設(shè)計(jì)及流片驗(yàn)證的全部過程。通過集成電路設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生掌握先進(jìn)的EDA工具及集成電路設(shè)計(jì)的流程和基本的設(shè)計(jì)方法。培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才，適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)對復(fù)合型人才的需求。

[1] 岳亞杰,楊慧晶,張宏國.集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探究[J].黑龍江教育:高教研究與評估,2013(3):62-63.

[2] 李倩.電子專業(yè)實(shí)踐課程改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(7):149-150.

[3] 唐凱,吳偉力,集成電路設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索[J].集美大學(xué)報(bào),2013(14):121-124.

The Establishment of the Integrated Circuit Design Practice Platform for Undergraduates

Zheng Lixia， Wu Jin， Zhao Xia， Xu Yue
Southeast University Wuxi， Wuxi ，214135， China

Integrated circuit is a new specialty with the focuses of practicality and engineering. In order to accommodate the specialty characteristic， colleges and universities should strengthen the construction of practice teaching system. In this paper we present a method of establishment the integrated circuit design practice platform according to the enterprise design workflow. Principle of establishment， EDA software， network set up， practical course are introduced.Through this platform， students can complete the entire IC design process from circuit schematic design to MPW chip fabricated. The platform is meet with industry standards with complete process and advanced EDA tools.

integrated circuit； practice teaching； training platform

2014-11-10

鄭麗霞，在讀博士研究生，講師。

東南大學(xué)2013校級教改項(xiàng)目(編號：2013-151)。