淺談集成電路及系統(tǒng)設計教學的研究與實踐

[摘要]隨著市場經(jīng)濟和科學技術的不斷發(fā)展，集成電路及系統(tǒng)設計突飛猛進。本文針對集成電路設計的發(fā)展對實踐教學提出新的要求，對集成電路設計實踐教學進行了一些探索和實踐。

[關鍵詞]集成電路 系統(tǒng)設計實踐教學

集成電路設計的發(fā)展非常迅速，新的設計工具和設計方法層出不窮，如何利用最新的EDA工具，合理設置集成電路設計實踐教學內(nèi)容，使學生掌握最新的集成電路設計工具和設計理念，成為我們現(xiàn)階段集成電路及系統(tǒng)設計專業(yè)實踐教學的重要課題和挑戰(zhàn)。

一、集成電路設計的發(fā)展對實踐教學提出新的要求

目前集成電路設計已經(jīng)進入超深亞微米階段，集成電路結構復雜度也越來越大，已進入了SOC(片上系統(tǒng))設計時代。集成電路設計EDA工具的種類越來越多，掌握的難度也越來越大。而現(xiàn)代集成電路設計流程都是以集成電路設計EDA工具為核心，離開了EDA工具的支撐也就談不上集成電路設計。

隨著集成電路設計進入SOC設計階段，芯片設計和系統(tǒng)設計逐漸融合交叉在一起，芯片設計者不但要掌握集成電路基礎知識和設計原理，還必須了解通信、計算機、圖像處理等系統(tǒng)結構方面的知識。對于更高層次的設計者還應該具備通過選擇正確的EDA工具和設計流程，把系統(tǒng)設計和集成電路設計融合在一起的能力。

我們除了繼續(xù)提高理論教學水平外，還必須高度重視以EDA工具和設計流程為核心的實踐教學環(huán)節(jié)。努力把課堂教學和實際設計應用緊密結合在一起，培養(yǎng)學生的實際設計能力，開闊學生的視野，同時也可以極大的提高學生專業(yè)課程學習的主觀能動性。

二、集成電路設計實踐教學的探索和實踐

1.EDA工具和參考設計流程的選擇

EDA工具和設計方法學在集成電路設計中的地位越來越重要，學生在掌握集成電路設計和系統(tǒng)設計理論知識的基礎上，還必須牢固樹立理論知識、設計工具和設計方法學三位一體的現(xiàn)代集成電路設計工程理念。

隨著集成電路設計技術的發(fā)展，系統(tǒng)設計和芯片實現(xiàn)已經(jīng)有機的交叉在一起，我們平常在教學中雖然把系統(tǒng)設計、電路設計和后端物理層設計由不同的課程來講授，但是在實踐教學中，應該把這三部分的內(nèi)容通過一個統(tǒng)一的設計流程和設計平臺有機的聯(lián)系在一起。

我們根據(jù)現(xiàn)階段集成電路設計的EDA工具和工程界最廣泛采用的設計方法，把實踐教學主要分為數(shù)字集成電路系統(tǒng)FPGA設計實現(xiàn)、數(shù)字集成電路系統(tǒng)ASIC設計實現(xiàn)、模擬集成電路設計實現(xiàn)三個大類。這些參考設計流程同時和我們的集成電路設計專業(yè)課程緊密結合，有些專業(yè)實踐需要走完整個設計流程，而有些專業(yè)實踐則可能只要完成整個設計流程的一個或幾個階段。在EDA工具的選擇上既要保證一定的先進性，同時也要考慮學生掌握的難易程度，并結合產(chǎn)業(yè)界的使用情況。

2.實驗內(nèi)容和方法的確定

要掌握集成電路設計的基礎理論、設計工具和設計方法最有效的手段就是進行大量集成電路設計實例的訓練。集成電路前端設計(系統(tǒng)設計、電路設計)和后端設計(物理設計)存在著比較大的差異，所需要的EDA工具、設計環(huán)境、驗證測試手段和實現(xiàn)的難易程度也不一樣，為了充分利用EDA設計資源，設計實例的數(shù)量我們安排為前端設計、FPGA實現(xiàn)、后端實現(xiàn)(物理實現(xiàn))的比例分別為6∶2∶2。

設計實例內(nèi)容知識面的選擇上要盡可能寬，并且盡可能和產(chǎn)業(yè)界緊密結合。當然，設計實例的廣度和難度要考慮到學生的知識面和安排的時間，并且要有相應的梯度，由易及難、由簡單到復雜、由小規(guī)模到大規(guī)模。現(xiàn)階段我們確定的實踐內(nèi)容主要涵蓋以下幾個方面：運放電路、顯示驅動(LED、LCD)、接口通信(I2C、SPI、USB)、編碼和解碼、數(shù)學運算單元、頻率合成、數(shù)字信號處理專用算法實現(xiàn)、數(shù)據(jù)通路等。

對于FPGA實現(xiàn)的設計實例可以利用本校的FPGA實驗箱進行測試驗證。而對于ASIC實現(xiàn)的設計實例可以安排一次學生MPW流片，流片工藝采用國內(nèi)華潤上華CSMC-0.6um硅柵工藝，一般流片需要幾個月的時間，學生可在下一個實驗學期或在工程實踐階段對自己的設計進行測試。

在設計實踐訓練中，既要強調獨立完成設計的必要性，同時也要注重培養(yǎng)學生協(xié)調合作完成設計的能力。在實驗安排中有70%的實驗學生可以自己獨立完成，另有30%的設計實驗需要一個設計小組才能完成，每個設計小組可由35人組成，學生在設計小組中必須相互合作，這也有助于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。

三、集成電路及系統(tǒng)設計實踐教學的軟硬件環(huán)境建設

集成電路設計EDA工具要根據(jù)設計流程來進行配置，集成電路設計EDA工具種類多、涉及面廣，有些運行在PC環(huán)境，有些運行在UNIX環(huán)境下，種類不一樣，價格也有很大的差異。軟件選擇策略是高、中、低端結合，合理搭配，PC環(huán)境和UNIX環(huán)境同時使用。

目前國際上最主流的集成電路設計工具提供商有:Cadence、Synopsys、Mentor-Graphics等。這些主流廠商提供的EDA工具是目前產(chǎn)業(yè)界最廣泛使用的，但同時價格也非常昂貴。為了使學生能學習和使用先進的EDA工具，我們在UNIX工作站上安裝少量這些主流廠商的高端軟件，包括綜合工具、版圖設計、版圖驗證工具等。而在PC上主要安裝使用頻繁價格適中的軟件，主要包括設計輸入、功能仿真、時序驗證、邏輯綜合器、FPGA仿真和綜合器等。有了這些EDA工具的支撐，學生就可以完成符合參考設計流程規(guī)定的所有集成電路設計實踐課題。

集成電路設計流程、設計工具和設計基礎理論結合在一起，通過大量的集成電路設計實例訓練，學生的學習主觀性大大加強了，同時綜合實踐能力也有了極大的提高。學生在使用了大量的設計工具后，知識面也得到了拓展，為以后從事更復雜的工程設計和科研打下了一個良好的基礎。

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（作者單位：四川廣元信息職業(yè)技術學院）