張躍軍，趙志偉，欒志存，張會(huì)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(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。擁有強(qiáng)大的集成電路產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)先的技術(shù)，已成為實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)、產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵標(biāo)志［1-3］。我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)30 年的發(fā)展，已初步形成了半導(dǎo)體材料、芯片設(shè)計(jì)、芯片制造和封測(cè)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(chǎng)快速增長(zhǎng)的帶動(dòng)下，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但是同時(shí)也面臨著諸多的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。“中興事件”和“華為事件”凸顯我國(guó)集成電路核心技術(shù)的卡脖子問(wèn)題［4-6］。解決我國(guó)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(jí)學(xué)科的成功設(shè)立，表明了國(guó)家和業(yè)界對(duì)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(lái)新的契機(jī)。一級(jí)學(xué)科的成立，有利于擴(kuò)大集成電路專業(yè)招生規(guī)模，更有利于針對(duì)性地培養(yǎng)專業(yè)人才，也必然帶來(lái)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(jì)及其工程實(shí)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(shí)覆蓋面廣，各章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，課程內(nèi)容多，更新快，理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。其課程教學(xué)一般分為兩大部分同時(shí)進(jìn)行，一部分是理論教學(xué)，共17 學(xué)時(shí)，另一部分是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，共68 學(xué)時(shí)，總學(xué)時(shí)85 學(xué)時(shí)。主要教學(xué)內(nèi)容包括集成電路自動(dòng)設(shè)計(jì)流程，自動(dòng)版圖設(shè)計(jì)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(shí)作為數(shù)字集成電路前端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)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(duì)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(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，使學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的良好學(xué)風(fēng)，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)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(yuǎn)的影響［11-12］。

1 集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐課程現(xiàn)狀

1.1 課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、實(shí)際操作性高的特點(diǎn)，涉及集成電路相關(guān)的具體概念、靜態(tài)時(shí)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(shí)際動(dòng)手能力，需要將理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，利用EDA相關(guān)工具進(jìn)行實(shí)際操作，將掌握的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為工具的熟練使用和高效的電路設(shè)計(jì)能力。由于部分知識(shí)點(diǎn)理論性強(qiáng)、EDA工具規(guī)則細(xì)瑣以及腳本語(yǔ)言復(fù)雜等原因，學(xué)生往往會(huì)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(diǎn)，積極在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和手段、實(shí)踐教學(xué)和考核方式等方面進(jìn)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(guò)程中面臨的一個(gè)十分突出的問(wèn)題。

1.2 教輔用書(shū)可選擇性小

教材、教輔用書(shū)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(guó)內(nèi)集成電路課程相關(guān)的教材和教輔用書(shū)很多，但是絕大多數(shù)教材和教輔用書(shū)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(duì)本科人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生特點(diǎn)的教材和教學(xué)用書(shū)，編寫(xiě)適用于本科生特點(diǎn)的習(xí)題和實(shí)驗(yàn)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(bǔ)，是當(dāng)前這門課程建設(shè)中急需解決的一個(gè)問(wèn)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(kāi)展和建設(shè)。目前市場(chǎng)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(dú)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(duì)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(guó)每年對(duì)數(shù)字集成電路后端的人才需求在逐年增加。而目前開(kāi)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(guó)集成電路發(fā)展的瓶頸。目前，我國(guó)集成電路后端設(shè)計(jì)從業(yè)人員總數(shù)不足10 萬(wàn)人，預(yù)計(jì)到2020 年我國(guó)集成電路后端產(chǎn)業(yè)人才缺口將達(dá)到30 萬(wàn)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(jī)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(jì)人才是需要解決的又一個(gè)重要問(wèn)題。

2 教學(xué)改革內(nèi)容及進(jìn)度安排

關(guān)于數(shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐課程改革的探討將圍繞解決課程存在的主要問(wèn)題展開(kāi)，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(shū)建設(shè)、EDA軟件選用等幾個(gè)方面。將實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)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(jì)及其工程實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

以數(shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐課程分析方法（標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)設(shè)置、整體布局、時(shí)鐘樹(shù)綜合、整體布線、LVS&DRC）為例，展示數(shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式?；跀?shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐課程特點(diǎn)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，將整個(gè)教學(xué)工程分解為課前、課內(nèi)、實(shí)驗(yàn)、課外4 個(gè)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(duì)于在課堂教學(xué)中涉及的難點(diǎn)以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題，學(xué)生往往不能很好地及時(shí)解決，需要課后自學(xué)予以補(bǔ)充。由于本科學(xué)生對(duì)于集成電路主流技術(shù)和研究現(xiàn)狀認(rèn)識(shí)有限，對(duì)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(jī)性。因此教師要在課前選好教材、教輔用書(shū)，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(huì)使課程教學(xué)事半功倍。本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)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(jì)及其工程實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式順利進(jìn)行，采用化整為零、同類軟件并行比較、擇優(yōu)選擇、有機(jī)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(duì)更好的軟件構(gòu)成本課程軟件環(huán)境，滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)、心理特點(diǎn)，合理地綜合利用各種教學(xué)手段和方法，進(jìn)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(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和有效性。在課堂教學(xué)中，堅(jiān)持“以人為本，以學(xué)生為中心”的現(xiàn)代教育教學(xué)理念，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生系統(tǒng)思維方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)其分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的素養(yǎng)。積極采用探究式等先進(jìn)的教學(xué)方式，加強(qiáng)習(xí)題課、課堂討論和實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，增加與學(xué)生的互動(dòng)交流，進(jìn)一步活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，引導(dǎo)他們進(jìn)行主動(dòng)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(jì)既包含課堂需要掌握的知識(shí)又由學(xué)生自學(xué)能夠回答的問(wèn)題，涵蓋該課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并通過(guò)口頭演示來(lái)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(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)、更科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)［13-14］。

2.3 課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組織形式

實(shí)驗(yàn)中合理配置團(tuán)隊(duì)是數(shù)字集成電路后端設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的核心。合理配置團(tuán)隊(duì)是達(dá)到良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。在高效配置團(tuán)隊(duì)方面，考慮每個(gè)團(tuán)隊(duì)小組人數(shù)不能過(guò)多或過(guò)少，由于該課程注重實(shí)踐性，為了能讓每個(gè)學(xué)生真正參與實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)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(jī)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師多留意學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，要善于引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。為了更好地理解和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的簡(jiǎn)要介紹、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決方法。最后，教師分別對(duì)項(xiàng)目的完成情況給予量化評(píng)價(jià)。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(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獨(dú)立性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)問(wèn)題的理解等方面，最終作為平時(shí)成績(jī)一部分。通過(guò)本教研項(xiàng)目的實(shí)施，以期有效地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，達(dá)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(jì)的應(yīng)用型人才。

2.4 課外評(píng)價(jià)與知識(shí)鞏固總結(jié)

課后全面依托網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室來(lái)完成知識(shí)的鞏固和總結(jié)。每個(gè)課內(nèi)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目均制定任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)表。學(xué)生嚴(yán)格按照任務(wù)節(jié)點(diǎn)，按時(shí)完成方案設(shè)計(jì)說(shuō)明、數(shù)字后端綜合設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析、項(xiàng)目總結(jié)等內(nèi)容，教師及時(shí)給予支持和指導(dǎo)。每個(gè)項(xiàng)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(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的回顧從而構(gòu)建完整的知識(shí)認(rèn)知體系。

3 流程舉例

3.1 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)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(jì)3 類數(shù)據(jù)。具體可以細(xì)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(kù)，包含每個(gè)單元的CELL View，F(xiàn)RAM View，TIM View 和PWR View；③子庫(kù)，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(shí)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(jì)將影響到芯片的面積、速度信號(hào)完整性和設(shè)計(jì)周期。一個(gè)好的布局，將大大減少后續(xù)布局布線以及時(shí)序收斂所耗費(fèi)的時(shí)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(duì)的位置，并定義時(shí)鐘和電源分配［15］。在布局之前需要明確每個(gè)模塊的電路尺寸和運(yùn)行頻率，以及模塊之間的連接關(guān)系，這樣才能設(shè)計(jì)出更好的布局。同時(shí)，整體布局也是在數(shù)字IC的后端設(shè)計(jì)中人工手動(dòng)參與相對(duì)較多的階段。在SoC 系統(tǒng)芯片后端設(shè)計(jì)中，做好布局設(shè)計(jì)，芯片后端設(shè)計(jì)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(kù)文件設(shè)置命令

3.3 時(shí)鐘樹(shù)綜合

時(shí)鐘樹(shù)綜合是建立時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，也就是通常所說(shuō)的時(shí)鐘樹(shù)生成［16］。在System on Chip（SoC）片上系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中，由于需要的時(shí)鐘數(shù)目多，時(shí)鐘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有很多葉節(jié)點(diǎn)同屬于多個(gè)時(shí)鐘。時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)一直是高性能芯片設(shè)計(jì)中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在集成數(shù)千萬(wàn)甚至上億個(gè)晶體管后，要將時(shí)鐘信號(hào)接近零偏差地傳輸?shù)叫酒恳粋€(gè)局部區(qū)域是非常困難的［17］。時(shí)鐘樹(shù)綜合在芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字后端設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)保證數(shù)字集成電路的時(shí)序性能是非常關(guān)鍵的。一般布局布線工具中時(shí)鐘樹(shù)綜合流程分為創(chuàng)建時(shí)鐘樹(shù)特性定義、定義時(shí)鐘樹(shù)、時(shí)鐘樹(shù)綜合以及分析時(shí)鐘樹(shù)。標(biāo)準(zhǔn)單元放置后，時(shí)鐘樹(shù)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(shí)鐘樹(shù)綜合之后的重要物理實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jìn)行互連。其要求是必須完成它們之間的所有邏輯信號(hào)的互連，并在滿足各種約束條件下進(jìn)行優(yōu)化。能否按照設(shè)計(jì)的需求將信號(hào)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(shí)序、減少耦合效應(yīng)、消除串?dāng)_、降低功耗、保證信號(hào)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(duì)線路圖與設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（LVS&DRC）

設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)則檢查文件，對(duì)設(shè)計(jì)的版圖進(jìn)行檢查。該檢查以版圖層為主要對(duì)象，對(duì)相同版圖層以及相鄰版圖層之間的關(guān)系以及尺寸進(jìn)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(duì)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(yǔ)

集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)界對(duì)專業(yè)型人才的需求，對(duì)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(duì)這一變化，提出利用EDA技術(shù)來(lái)開(kāi)展數(shù)字集成電路后端實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)可以充分調(diào)動(dòng)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(jì)具體問(wèn)題的能力與創(chuàng)造性思維。近幾年來(lái)，在教學(xué)實(shí)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(shí)踐證明，在數(shù)字集成電路教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行改革，不僅能幫助學(xué)生加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生對(duì)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(jì)的實(shí)際動(dòng)手能力。