張躍軍，趙志偉，欒志存，張會紅

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315211）

0 引言

集成電路是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐國家經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。擁有強大的集成電路產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)先的技術(shù)，已成為實現(xiàn)科技強國、產(chǎn)業(yè)強國的關(guān)鍵標(biāo)志［1-3］。我國集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30 年的發(fā)展，已初步形成了半導(dǎo)體材料、芯片設(shè)計、芯片制造和封測三業(yè)并舉、較為協(xié)調(diào)的發(fā)展格局。在全球集成電路市場快速增長的帶動下，我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但是同時也面臨著諸多的問題與挑戰(zhàn)?！爸信d事件”和“華為事件”凸顯我國集成電路核心技術(shù)的卡脖子問題［4-6］。解決我國集成電路核心技術(shù)受制于人的關(guān)鍵在于人才，人才是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的第一要素。2019 年12 月復(fù)旦大學(xué)集成電路一級學(xué)科的成功設(shè)立，表明了國家和業(yè)界對集成電路人才培養(yǎng)的重視，給集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的契機。一級學(xué)科的成立，有利于擴大集成電路專業(yè)招生規(guī)模，更有利于針對性地培養(yǎng)專業(yè)人才，也必然帶來集成電路相關(guān)課程的教學(xué)改革［7-8］。

數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐作為電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的集成電路技術(shù)及應(yīng)用方向模塊選修課程，是一門知識覆蓋面廣，各章節(jié)內(nèi)容相對獨立，課程內(nèi)容多，更新快，理論性和應(yīng)用性都很強的課程。其課程教學(xué)一般分為兩大部分同時進行，一部分是理論教學(xué)，共17 學(xué)時，另一部分是實驗教學(xué)，共68 學(xué)時，總學(xué)時85 學(xué)時。主要教學(xué)內(nèi)容包括集成電路自動設(shè)計流程，自動版圖設(shè)計方法以及Synopsys 工具的使用方法等內(nèi)容。課題以集成電路原理為基礎(chǔ)，同時作為數(shù)字集成電路前端設(shè)計及其工程實踐的延伸和發(fā)展，在數(shù)字集成電路技術(shù)研究中扮演著很重要的角色［9-10］。因此，有效地提高這門課程的教學(xué)質(zhì)量和課程建設(shè)水平，對提高電子信息工程和電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，對培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，使學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實際的良好學(xué)風(fēng)，提高學(xué)生實際動手能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的新型集成電路專業(yè)人才具有重要而深遠的影響［11-12］。

1 集成電路后端設(shè)計及其工程實踐課程現(xiàn)狀

1.1 課程實踐環(huán)節(jié)薄弱

集成電路后端設(shè)計及其工程實踐課程的教學(xué)內(nèi)容具有理論性強、實際操作性高的特點，涉及集成電路相關(guān)的具體概念、靜態(tài)時序分析、EDA 工具應(yīng)用等較多內(nèi)容，要求學(xué)生具有較好的數(shù)字集成電路基礎(chǔ)和實際動手能力，需要將理論知識與實際相結(jié)合，利用EDA相關(guān)工具進行實際操作，將掌握的理論知識轉(zhuǎn)換為工具的熟練使用和高效的電路設(shè)計能力。由于部分知識點理論性強、EDA工具規(guī)則細瑣以及腳本語言復(fù)雜等原因，學(xué)生往往會感到課程內(nèi)容難于理解和掌握，從而影響了他們的學(xué)習(xí)積極性。因此，如何結(jié)合學(xué)生的特點，積極在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和手段、實踐教學(xué)和考核方式等方面進行改革與探索，以提高課堂教學(xué)的效果，是當(dāng)前這門課程教學(xué)過程中面臨的一個十分突出的問題。

1.2 教輔用書可選擇性小

教材、教輔用書建設(shè)是課程建設(shè)的重要內(nèi)容，是教學(xué)思想與教學(xué)內(nèi)容的重要載體。雖然目前國內(nèi)集成電路課程相關(guān)的教材和教輔用書很多，但是絕大多數(shù)教材和教輔用書的定位都是面向碩士研究生，而較少考慮本科生。因此，研究和選擇更加適合針對本科人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生特點的教材和教學(xué)用書，編寫適用于本科生特點的習(xí)題和實驗指導(dǎo)方面的教輔資料，并構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)課程，與課堂教學(xué)形成互補，是當(dāng)前這門課程建設(shè)中急需解決的一個問題。

1.3 EDA軟件選擇困難

EDA軟件的選擇也是課程建設(shè)的關(guān)鍵性內(nèi)容，只有選擇適合的軟件才更有利于課程的開展和建設(shè)。目前市場上DEA 軟件基本上是以Cadence、Mentor、Synopsys公司的產(chǎn)品為主流，3 家公司的軟件相互獨立，但又存有共性。所以如何選取適合學(xué)生所用的軟件也是當(dāng)前一大難題。

1.4 人才培養(yǎng)難度大

人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提，集成電路產(chǎn)業(yè)對人才的要求比較高，集成電路公司招聘從業(yè)者一般都要求本科以上學(xué)歷，我國每年對數(shù)字集成電路后端的人才需求在逐年增加。而目前開設(shè)該門課程的學(xué)校僅有清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等幾所高校，人才缺口已經(jīng)成為當(dāng)下制約我國集成電路發(fā)展的瓶頸。目前，我國集成電路后端設(shè)計從業(yè)人員總數(shù)不足10 萬人，預(yù)計到2020 年我國集成電路后端產(chǎn)業(yè)人才缺口將達到30 萬人，所有半導(dǎo)體企業(yè)人力資源部門都面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)和機遇。如何培養(yǎng)出符合產(chǎn)業(yè)需要的高質(zhì)量集成電路后端設(shè)計人才是需要解決的又一個重要問題。

2 教學(xué)改革內(nèi)容及進度安排

關(guān)于數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐課程改革的探討將圍繞解決課程存在的主要問題展開，包括教學(xué)方法與手段建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教材、教輔用書建設(shè)、EDA軟件選用等幾個方面。將實驗討論模式與課堂教學(xué)策略學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，依托多種教學(xué)手段，設(shè)計數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

以數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐課程分析方法（標(biāo)準(zhǔn)庫設(shè)置、整體布局、時鐘樹綜合、整體布線、LVS&DRC）為例，展示數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。基于數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐課程特點，以問題為導(dǎo)向，將整個教學(xué)工程分解為課前、課內(nèi)、實驗、課外4 個階段。

2.1 課堂教學(xué)的課前組織形式

課前教師要給學(xué)生選定好課程教材以及供學(xué)生查閱的參考資料。對于在課堂教學(xué)中涉及的難點以及在實驗過程中遇到的具體問題，學(xué)生往往不能很好地及時解決，需要課后自學(xué)予以補充。由于本科學(xué)生對于集成電路主流技術(shù)和研究現(xiàn)狀認(rèn)識有限，對于良莠混雜的網(wǎng)絡(luò)資料難以有效甄別，任由其自行選擇可能帶有很大的盲目性和隨機性。因此教師要在課前選好教材、教輔用書，便于學(xué)生課后查閱和自學(xué)。課前要精心選擇EDA軟件，合適的軟件會使課程教學(xué)事半功倍。本課程實驗教學(xué)過程中需要使用的多款軟件，要使數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式順利進行，采用化整為零、同類軟件并行比較、擇優(yōu)選擇、有機整合的方法，不局限于采用某一家公司的軟件，而是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和要求確定需要的功能軟件，再選擇主流軟件公司功能和性能相對更好的軟件構(gòu)成本課程軟件環(huán)境，滿足教學(xué)實驗需求。

2.2 課堂教學(xué)的課內(nèi)組織形式

依據(jù)學(xué)生這一主體的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、年齡特點、心理特點，合理地綜合利用各種教學(xué)手段和方法，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、研究興趣和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和有效性。在課堂教學(xué)中，堅持“以人為本，以學(xué)生為中心”的現(xiàn)代教育教學(xué)理念，強化對學(xué)生系統(tǒng)思維方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)其分析問題、解決問題的能力和科學(xué)實驗的素養(yǎng)。積極采用探究式等先進的教學(xué)方式，加強習(xí)題課、課堂討論和實驗等環(huán)節(jié)，增加與學(xué)生的互動交流，進一步活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，引導(dǎo)他們進行主動學(xué)習(xí)，構(gòu)建既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，又能體現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知主體作用的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)習(xí)慣，變傳統(tǒng)教學(xué)為創(chuàng)造性教學(xué)。設(shè)計既包含課堂需要掌握的知識又由學(xué)生自學(xué)能夠回答的問題，涵蓋該課的重點和難點，并通過口頭演示來加深學(xué)生的理解。探索更加適用有效的考核方法和方式，以更好地促進學(xué)生的學(xué)習(xí)、更科學(xué)地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)［13-14］。

2.3 課堂教學(xué)的實驗組織形式

實驗中合理配置團隊是數(shù)字集成電路后端設(shè)計及其工程實踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的核心。合理配置團隊是達到良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。在高效配置團隊方面，考慮每個團隊小組人數(shù)不能過多或過少，由于該課程注重實踐性，為了能讓每個學(xué)生真正參與實驗，團隊由2 或3 名學(xué)生構(gòu)成比較合適。每組必須能夠分配和協(xié)調(diào)任務(wù)，而小組成員的分配需要參考學(xué)生的能力、成績和認(rèn)知的高低搭配分組，盡量避免一組的成員都很優(yōu)秀或都很差的情況，教師應(yīng)該盡量合理分工和協(xié)調(diào)。在整個實驗過程中，教師多留意學(xué)生的實驗過程，要善于引導(dǎo)學(xué)生解決實驗過程中所遇到的問題。為了更好地理解和實驗，學(xué)生須獨立完成實驗報告，實驗報告內(nèi)容包括實驗方法和實驗過程的簡要介紹、實驗數(shù)據(jù)的整理、實驗過程中遇到的問題以及解決方法。最后，教師分別對項目的完成情況給予量化評價。教師結(jié)合小組成員的表現(xiàn)給每位組員打分，其中包括實驗流程及實驗結(jié)果的獨立性、實驗報告撰寫的規(guī)范性、實驗過程中對問題的理解等方面，最終作為平時成績一部分。通過本教研項目的實施，以期有效地提高學(xué)生的實際動手能力，更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，達到工學(xué)一體化的目標(biāo)，培養(yǎng)出高水平的數(shù)字集成電路后端設(shè)計的應(yīng)用型人才。

2.4 課外評價與知識鞏固總結(jié)

課后全面依托網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和開放實驗室來完成知識的鞏固和總結(jié)。每個課內(nèi)的設(shè)計項目均制定任務(wù)時間節(jié)點表。學(xué)生嚴(yán)格按照任務(wù)節(jié)點，按時完成方案設(shè)計說明、數(shù)字后端綜合設(shè)計、實驗報告分析、項目總結(jié)等內(nèi)容，教師及時給予支持和指導(dǎo)。每個項目完成后，教師的引導(dǎo)以及合理的歸納與總結(jié)，使學(xué)生進行知識點的回顧從而構(gòu)建完整的知識認(rèn)知體系。

3 流程舉例

3.1 標(biāo)準(zhǔn)庫設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)庫是ICC布局布線所必須的文件。后端所需要的數(shù)據(jù)可分為邏輯層、物理層和設(shè)計3 類數(shù)據(jù)。具體可以細分為以下6 種文件：①工藝文件，規(guī)定工藝上的層次定義；②單元庫，包含每個單元的CELL View，F(xiàn)RAM View，TIM View 和PWR View；③子庫，一般由Macro或Block的LEF或者GDSII文件生成；④綜合后網(wǎng)表文件，Verilog，VHDL 或edif 格式均可；⑤約束Pad位置的TDF文件；⑥綜合后給出的時序約束文件。設(shè)置命令及代碼如圖2 所示。

3.2 整體布局

整體布局設(shè)計將影響到芯片的面積、速度信號完整性和設(shè)計周期。一個好的布局，將大大減少后續(xù)布局布線以及時序收斂所耗費的時間和資源。整體布局的主要目的是為模塊、輸入輸出（I/O）接口、電源焊盤分配相對的位置，并定義時鐘和電源分配［15］。在布局之前需要明確每個模塊的電路尺寸和運行頻率，以及模塊之間的連接關(guān)系，這樣才能設(shè)計出更好的布局。同時，整體布局也是在數(shù)字IC的后端設(shè)計中人工手動參與相對較多的階段。在SoC 系統(tǒng)芯片后端設(shè)計中，做好布局設(shè)計，芯片后端設(shè)計就成功一半。芯片版圖layout的整體布局示例，如圖3 所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)庫文件設(shè)置命令

3.3 時鐘樹綜合

時鐘樹綜合是建立時鐘網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，也就是通常所說的時鐘樹生成［16］。在System on Chip（SoC）片上系統(tǒng)芯片設(shè)計中，由于需要的時鐘數(shù)目多，時鐘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有很多葉節(jié)點同屬于多個時鐘。時鐘分布網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一直是高性能芯片設(shè)計中的一個重大挑戰(zhàn)。在集成數(shù)千萬甚至上億個晶體管后，要將時鐘信號接近零偏差地傳輸?shù)叫酒恳粋€局部區(qū)域是非常困難的［17］。時鐘樹綜合在芯片設(shè)計的數(shù)字后端設(shè)計過程中，對保證數(shù)字集成電路的時序性能是非常關(guān)鍵的。一般布局布線工具中時鐘樹綜合流程分為創(chuàng)建時鐘樹特性定義、定義時鐘樹、時鐘樹綜合以及分析時鐘樹。標(biāo)準(zhǔn)單元放置后，時鐘樹示例如圖4 所示。

圖3 芯片整體布局

圖5 芯片整體布線

3.4 整體布線

布線是繼布局和時鐘樹綜合之后的重要物理實現(xiàn)過程，其內(nèi)容是將分布在芯片核內(nèi)的模塊、標(biāo)準(zhǔn)單元和輸入輸出接口單元按邏輯關(guān)系進行互連。其要求是必須完成它們之間的所有邏輯信號的互連，并在滿足各種約束條件下進行優(yōu)化。能否按照設(shè)計的需求將信號線布通是決定芯片是否能夠成功流片的首要前提。消除布線阻塞、優(yōu)化時序、減少耦合效應(yīng)、消除串?dāng)_、降低功耗、保證信號完整性和提高成品率是衡量布線優(yōu)化工作的重要指標(biāo)。芯片整體布線后如圖5 所示。

3.5 布局對線路圖與設(shè)計規(guī)則檢查（LVS&DRC）

設(shè)計規(guī)則檢查（Design Rule Check，DRC），主要是根據(jù)工藝廠商提供的設(shè)計規(guī)則檢查文件，對設(shè)計的版圖進行檢查。該檢查以版圖層為主要對象，對相同版圖層以及相鄰版圖層之間的關(guān)系以及尺寸進行規(guī)則檢查，DRC流程如圖6 所示。版圖與電路圖一致性布局對線路圖（Layout Versus Schematic，LVS）檢查，目的在于檢查人工繪制的版圖是否和電路結(jié)構(gòu)相符，LVS 流程如圖7 所示。

圖6 DRC流程圖

圖7 LVS流程圖

4 結(jié)語

集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)界對專業(yè)型人才的需求，對集成電路專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段提出了新的要求，為有效應(yīng)對這一變化，提出利用EDA技術(shù)來開展數(shù)字集成電路后端實驗課程教學(xué)改革，并將其貫穿于集成電路專業(yè)課程教學(xué)和實驗過程的新思路。一方面，將EDA技術(shù)引入課堂教學(xué)可以將教學(xué)過程中許多抽象和難理解的內(nèi)容具體化、直觀化，便于學(xué)生理解和掌握。另一方面，應(yīng)用EDA 技術(shù)開展綜合性實驗可以充分調(diào)動學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析解決集成電路設(shè)計具體問題的能力與創(chuàng)造性思維。近幾年來，在教學(xué)實踐中逐步建立了基于EDA技術(shù)的數(shù)字集成電路教學(xué)新模式。實踐證明，在數(shù)字集成電路教學(xué)和實驗中應(yīng)用EDA技術(shù)進行改革，不僅能幫助學(xué)生加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣與效率，而且能使學(xué)生跟上集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高學(xué)生數(shù)字電路設(shè)計的實際動手能力。