“VLSI設計”課程實踐教學模式探索

池雅慶 陳海燕 陳建軍

［摘 要］ 針對“VLSI設計”課程實踐教學中存在關注設計流程、掌握相關EDA工具，但缺乏對先進電路版圖設計技術應用和創新實踐的問題，提出了基于課前熟悉流程工具、課堂開展歸納分析和課后作業改進創新三個層次的實踐教學模式，并以晶體管設計實踐課為例，闡述了三個層次的實踐教學方法。采用該實踐教學模式使學生在熟練掌握全定制物理設計流程的同時，培養了探索創新的思維和追求極致性能的信念，為進一步提高集成電路設計人才的培養質量提供了有益參考。

［關鍵詞］ VLSI設計；實踐教學；全定制；物理設計

［基金項目］ 2020年度國防科技大學研究生教育教學改革研究課題“自主可控信息領域卓越某某領軍人才的培養方案研究”（yjsj2020030）；2022年度國防科技大學教學成果立項培育項目“面向先進工藝全流程的超大規模集成電路專業課程建設”（jxcg2022187）

［作者簡介］ 池雅慶（1982—），男，重慶人，博士，國防科技大學計算機學院副研究員，主要從事高性能高可靠集成電路設計研究；陳海燕（1967—），女，四川南充人，碩士，國防科技大學計算機學院研究員，主要從事高性能微處理器技術研究；陳建軍（1983—），男，貴州畢節人，博士，國防科技大學計算機學院副研究員，主要從事高速高性能集成電路設計研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0140-04［收稿日期］ 2023-01-11

引言

集成電路是信息產業的核心，孕育了大量的新興產業，并為傳統產業注入了新的動力，極大地提高了人們的勞動生產率。各國在集成電路領域的競爭十分激烈，尤其是高性能微處理器等高端集成電路產品，國內屢遭西方國家技術封鎖，面臨著嚴峻的“卡脖子”問題。而高端集成電路設計人才的匱乏，則是阻礙我國集成電路產業自立自強、突破封鎖的關鍵問題之一，亟須大量基礎理論扎實、工程實踐能力強的高端集成電路設計和創新人才［1］。人力資源服務供應商前程無憂發布的《2021年Q1“芯力量”（集成電路半導體）市場供需報告》顯示，中國的集成電路行業人才缺口巨大，2021年3月人才需求量占集成電路全行業總職位量的比例為5.5%，在行業中位列第四［2］。

我校高端集成電路設計人才培養主要依托計算機學院微電子與固體電子學研究生專業展開。學院長期從事超級計算機研制，在高性能微處理器設計領域處于國內領先水平，研制的飛騰系列微處理器在超級計算機及各類自主可控信息系統中得到了大量應用，相關科研工程實踐為高端集成電路設計人才的培養提供了重要支撐［3］。

作為學院微電子與固體電子學研究生專業的核心課，VLSI（Very Large Scale Integrated Circuit 超大規模集成電路）設計承擔了復雜數字集成電路，從電路設計直至版圖設計的后端物理設計理論與方法的教學任務，培養了一大批能夠熟練開展高性能數字集成電路物理設計的人才。VLSI設計教學包括理論教學和實踐教學。理論教學分為基本單元、電路設計和系統設計三個模塊，主要探討復雜數字集成電路的設計方法，關注深亞微米以及納米工藝下先進電路和版圖的設計技術，并著重分析影響集成電路性能、功耗和面積的設計參數和優化途徑。實踐教學主要圍繞全定制物理設計展開，從晶體管、導線到組合邏輯單元、時序邏輯單元，直至運算單元和存儲器開展設計驗證，自下向上全定制構建出完整的功能模塊。這需要在有限的教學時間內使學生掌握全定制物理設計的基本流程，熟練運用EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）工具，并完成功能模塊設計［4］。

不同于模擬集成電路設計領域的發展主要依靠電路和版圖的不斷創新而非半導體工藝的進步，數字集成電路領域的發展長期依賴于半導體工藝的持續進步。工藝進步帶來的高性價比使后端物理設計更加聚焦于支持更為先進工藝的復雜物理設計流程，而對于創新電路和版圖所獲取高性價比的努力有所忽略。反映在“VLSI設計”課程上，盡管理論教學涉及了先進的電路版圖設計及優化途徑，但實踐教學重點關注全定制物理設計流程和相關EDA工具的掌握，缺乏對先進電路版圖設計技術的應用和思考［5］。隨著某些西方國家對我國先進集成電路工藝封鎖的不斷加深，在今后相當長一段時間內集成電路工藝水平進步受阻的狀態下，創新設計更加優秀的電路和版圖是實現數字集成電路性能不斷提升的必由之路。

為使“VLSI設計”課程的實踐教學更加適應高端數字集成電路發展的現狀，本文在VLSI設計實踐教學中融入理論分析和創新思考，使學生在熟練掌握全定制物理設計流程的同時，樹立追求極致性能的信念，為探索進一步提高集成電路物理設計人才培養質量的方法提供了參考。

一、實踐教學模式設計

（一）實踐教學模式整體設計

“VLSI設計”課程共54學時，其中理論課36學時，實踐課18學時，每次課3學時。實踐課包括6次課，分別是晶體管、導線、組合邏輯單元、時序邏輯單元、運算單元和存儲器的設計與驗證。在18學時的課內時間，對于完全熟悉各類單元的設計驗證流程及相關EDA工具的使用已顯不足，更遑論開展分析比較和改進創新［6］。

為了在一個學期內使學生具備基本的全定制設計驗證能力，并樹立追求卓越的信念，我們將每次實踐課的教學模式分為流程工具、歸納分析和改進創新三個層次。流程工具層次旨在訓練學生掌握全定制設計的基本流程和相關EDA工具的使用方法，完成電路版圖設計、仿真驗證與規則檢查；歸納分析層次旨在訓練學生理解集成電路設計要素的特點和規律，培養分析比較設計指標和參數的能力；改進創新層次旨在培養學生基于理論知識指導設計優化實踐的能力，樹立追求卓越的理念。對不同層次的實踐內容分別采取自主學習、線上答疑、課堂討論和課后作業等教學方式，如表1所示，不僅突出了教學重點，而且提升了教學質量，取得了良好的教學效果。

（二）流程工具層次

流程工具層次實踐課的教學目標是使學生掌握集成電路全定制設計的基本流程和相關EDA工具的使用方法，完成給定電路版圖的設計、仿真驗證與規則檢查。

設計流程及配套EDA工具的掌握作為集成電路設計的基本技能，培訓資料廣泛易得，各EDA工具均提供了詳細的培訓教程供相關工程師學習，網上也有大量相關知識方便查詢。因此，流程工具層次的教學方法以自主學習為主、線上答疑為輔。在每次實踐課開始前一周發放本次實踐課所使用的EDA環境、工藝規則及操作指導等資料，并建立答疑微信群，學生根據資料在課前完成設計的基本流程和EDA工具的學習，復現操作指導書中指定的操作，獲得正確結果。當有任何疑問，可以在微信群中提問答疑，學生之間也可以互相討論，加深理解［7］。

通過采用自主學習的方式來掌握流程工具知識，不僅為實踐課教學質量的提升奠定了基礎，也培養了研究生的自學和科研能力。

（三）歸納分析層次

歸納分析層次實踐課的教學目標是使學生從實踐中發現不同設計變量的輸出特征及變化規律，并分析理解其中的理論機制，在掌握基本設計流程的基礎上將理論與實際聯系起來，拓寬視野，積累經驗。

完成全部的設計驗證和規則檢查流程僅僅是基礎，按此方式培養的集成電路設計工程師往往只能機械地執行設計流程，但是如果最終的性能不能滿足指標要求，往往無能為力，既不知道設計不足的原因，又不知道怎樣尋求改進，甚至不清楚是否能夠達到指標。為此，歸納分析層次的實踐教學將重點展示各類設計所能達到的性能邊界及其不足，使學生將理論學習的知識與實際設計聯系起來，了解各類設計的機理和所能達到的綜合效果，積累設計經驗。教學方法以課堂實驗為主、課堂討論為輔。課堂上教師提供多種設計變量，學生按照設計變量改造流程工具層次已實現的基本設計，并進行仿真，歸納仿真結果的變化規律，分析其變化原因，并在課堂上對其內在理論機制展開討論，加深理解［8］。

通過采用課堂實驗和討論的方式來對設計效果進行歸納和分析，可以促使學生將理論與實踐緊密結合起來，理解設計結果的來源，達到積累設計經驗的效果。

（四）改進創新層次

改進創新層次實踐課的教學目標是學生能夠鍛煉學生理論聯系實際的能力，綜合運用各種手段完成全定制電路版圖模塊的設計、仿真驗證和規則檢查，并達到預定的設計指標，形成獨立設計和改進全定制數字集成電路并不斷追求卓越的能力。

通過在課堂上對各類設計參數和能力的歸納、分析、討論，學生會發現理論指導實踐的魔力，逐漸建立起自己的設計思維，并對改造世界躍躍欲試。改進創新層次將提出若干設計參數目標，引導學生利用已掌握的理論知識改進課堂上分析過的設計，并鼓勵學生探索創新，追求卓越。教學方法采用課后作業為主、課堂講評為輔。當在課堂上完成某模塊多種設計結構的評估和分析后，提出一個或多個合適的指標作為課后作業的目標，對該模塊進行改進，不限制指標的上下限。對于掌握較慢的學生，竭盡其所能有所收獲即可；對于學有余力的學生，則鼓勵其追求極致，達到因材施教的效果。課后作業在下一次課前幾天提交，教師批改分析后在課堂上講評，分析改進的思路和理論機制，并探討學生提出的新思想［9］。

二、以晶體管設計實踐課為例

上述內容講述了“VLSI設計”課程實踐教學模式探索的基本思路，下面以晶體管設計實踐課為例，詳細闡述流程工具、歸納分析和改進創新三個層次的教學。

在流程工具層次，課前一周會發放基于學校信息化云平臺的EDA服務器訪問方式、相關EDA軟件使用說明、PDK（Process Design Kit，工藝設計套件）以及包括晶體管電路版圖的繪制方法、電學特性仿真方法、DRC（Design Rule Check，設計規則檢查）等規則檢查方法在內的實踐指導書，并建立答疑微信群。學生需要在課前根據實踐指導書登錄EDA服務器、繪制晶體管電路版圖、仿真電學特性曲線、完成規則檢查等。如有問題可以在答疑微信群詢問，由助教老師或同學互助解決。實踐指導書會推薦晶體管的基本尺寸，但學生繪制版圖時在源漏和阱間距等方面仍可能違反DRC規則，因此學生需要根據EDA工具報錯的指引，根據實踐指導書的指導，借助答疑微信群，甚至上網搜索相關方法，修改使其符合規則。EDA服務器24小時運行，學生可以在任意時間登錄操作，通過長時間的上機鍛煉，學生能夠熟悉設計流程和EDA工具的操作技能。

在歸納分析層次，課堂上會讓學生設計不同尺寸的晶體管，在多種工藝角仿真其靜態和動態特性，歸納其變化規律，討論內在的機理機制，使學生理解晶體管尺寸結構、工作電壓、工作溫度等因素對其飽和電流、開關延遲等電學特性的實際影響和內在機理［10］。

在改進創新層次，布置一項課后作業，設計一個在指定激勵和負載下具有最短延遲的反相器電路和版圖，完成各工藝角下的延遲仿真，通過DRC等規則檢查，提交作業報告。盡管在課堂上已經設計分析了多種晶體管尺寸的反相器延遲，但對于指定的激勵和負載并非最優設計。學生需要根據課堂討論和分析，利用理論指導設計，力爭進一步降低延遲。教師通過批改作業，了解學生對晶體管理論知識和實踐技能的掌握情況，并在下一次課上總結分析學生使用的改進方法，探討更多可能的改進方式，鞏固教學成果。

結語

培養具有創新能力的高端集成電路設計人才是我國集成電路產業創新發展的關鍵。通過課前熟悉流程工具、課中開展歸納分析和課后作業改進創新三個層次設計“VLSI設計”課程實踐教學模式，并融入理論分析和創新思考，使學生在熟練掌握全定制物理設計流程的同時建立探索創新的思維和追求極致性能的信念，為進一步提高集成電路物理設計人才的培養質量提供了有益參考。

參考文獻

［1］國務院.關于印發新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策的通知：國發〔2020〕8號［A/OL］.（2020-07-27）［2022-12-21］.http：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5535318.htm.

［2］馬勝，沈立，王勇軍，等.新工科背景下集成電路設計人才培養的實踐教學體系建設探索［J］.實驗室研究與探索，2022，41（1）：206-210.

［3］鄒志革，鄒雪城，雷鑑銘，等.集成電路設計與集成系統專業培養方案的研究：以華中科技大學為例［J］.教育教學論壇，2019（37）：62-65.

［4］馬馳遠，陳海燕，劉勝.集成電路課程案例教學模式的探索與實踐［J］.電子電氣教學學報，2020，42（4）：8-11.

［5］劉有耀，杜慧敏，張麗果.集成電路設計與集成系統專業創新型人才培養的課程體系研究［J］.教育教學論壇，2015（35）：49-51.

［6］岳亞杰，楊慧晶，張宏國.集成電路設計與集成系統專業人才培養模式的探究［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2013（3）：62-63.

［7］前程無憂《2021年Q1“芯力量”（集成電路半導體）市場供需報告》.［EB/OL］.（2021-05-24）［2022-12-21］.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1700654000798484454&wfr=spider&for=pc.

［8］蔣華.地方高校電子信息類專業提升集成電路設計人才培養質量的研究［J］.工業和信息化教育，2022（2）：33-36.

［9］李金城.集成電路設計專業本科人才培養方案探索［J］.電氣電子教學學報，2021，43（4）：13-15+88.

［10］李潤哲.集成電路設計應用型人才的培養策略［J］.青年時代，2020（4）：177-178.

The Exploration on the Practical Teaching Mode for VLSI Design Course

CHI Ya-qing， CHEN Hai-yan， CHEN Jian-jun

（School of Computer Science， National University of Defense Technology， Changsha，

Hunan 410073， China）

Abstract： In view of the problem that the practical teaching of VLSI design course pays attention to the full custom physical design process and the related EDA tools， but lacks the application and innovation practice of advanced circuit and layout design， this paper puts forward three levels of practical teaching mode based on the process and tool learning before class， the induction and analysis in class， and the improvement and innovation in homework after class. The practical course of transistor design is taken as an example， expounding the practical ?method of the teaching mode mentioned above. This practical teaching mode enables students to master the full custom physical design process skillfully while cultivating the innovative thinking and the belief of pursuing the excellence， which provides a useful reference for further improving the quality of integrated circuit design talents.

Key words： VLSI design; practical teaching; full custom; physical design