微电子专业集成电路版图设计的教学

摘 要 ：集成电路版图设计涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论,这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向.以CMOS反相器和基本MOS差分放大器为例,介绍了集成电路版图设计的教学内容.学生通过集成电路版图设计的教学环节,巩固了专业课程的理论知识,提高了集成电路设计的实践能力.

关 键 词 ：集成电路设计；版图；CMOS

作者简介：毛剑波（1970-）,男,江苏句容人,合肥工业大学电子科学与应用物理学院,副教授；汪涛（1981-）,男,河南商城人,合肥工业大学电子科学与应用物理学院,讲师.（安徽合肥230009）

基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果.

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02

集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业,是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业,是新一代信息技术产业发展的核心和关键,对其他产业的发展具有巨大的支撑作用.经过30多年的发展,我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局,产业链基本形成.但与国际先进水平相比,我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题.在集成电路产业中,集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂.而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业,集成电路设计人才严重匮乏,已成为制约行业发展的瓶颈.因此,培养大量高水平的集成电路设计人才,是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题,也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战.[1-4]

一、集成电路版图设计软件平台

为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要,合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划,和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室,配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件.我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程,如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等.同时对课程体系进行了修订,注意相关课程之间相互衔接,关键内容不遗漏,突出集成电路设计能力的培养,通过对课程内容的精选、重组和充实,结合实验教学环节的开展,构成了系统的集成电路设计教学过程.[5,6]

集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全写作（full custom）、半写作（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计.全写作集成电路设计,特别是其后端的版图设计,涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论,这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向,目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础.

在集成电路版图设计的教学中,采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System）,这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件.该软件与国际上流行的EDA系统兼容,支持百万门级的集成电路设计规模,可进行国际通用的标准数据格式转换,它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优,已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用,特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能,并成功开发出了许多实用的集成电路芯片.

九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器,ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器,ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具,ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具,ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具,ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具,ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块,实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程.

二、集成电路版图设计的教学目标

根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点,在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程.

在集成电路版图设计的教学中,首先对集成电路设计的一些相关知识进行回顾,介绍版图设计的基础知识,如集成电路设计流程,CMOS基本工艺过程,版图的基本概念,版图的相关物理知识及物理结构,版图设计的基本流程,版图的总体设计,布局规划以及标准单元的版图设计等.然后结合上机实验,讲解Unix和Linux操作系统的常用命令,详细阐述基于标准单元库的版图设计流程,指导学生使用ZeniSE绘制电路原理图,使用ZeniPDT进行NMOS/PMOS以及反相器的简单版图设计.在此基础上,让学生自主选择一些较为复杂的单元电路进行设计,如数据选择器、MOS 差分放大器电路、二四译码器、基本RS触发器、六管MOS 静态存储单元等,使学生能深入理解集成电路版图设计的概念原理和设计方法.最后介绍版图验证的基本思想及实现,包括设计规则的检查（DRC）,电路参数的检查（ERC）,网表一致性检查（LVS）,指导学生使用ZeniVERI等工具进行版图验证、查错和修改.[7]

集成电路版图设计的教学目标是：