集成电路版图设计的重要性范文

导语：如何才能写好一篇集成电路版图设计的重要性，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：集成电路版图CAD；实践教学；课程实验；课程设计

Research on practice teaching mode of computer aided design of IC layout course

Shi Min， Zhang Zhenjuan， Huang Jing， Zhu Youhua， Zhang Wei

Nantong University， Nantong， 226019， China

Abstract： In this paper， the practice teaching mode of Computer Aided Design of IC layout course is discussed. According to one trunk line and two related course experiments mode， the experiment contents and methods were designed and implemented. Meanwhile， other efforts including emphasis of extracurricular scientific competition and reform of course practicum， were adopted to pay attention to the cultivation of comprehensive ability for students. The practice teaching mode proved that better teaching effect have been obtained.

Key words： Computer Aided Design of IC layout； practice teaching mode； course experiments； practicum

目前，高速发展的集成电路产业使IC设计人才炙手可热，而集成电路版图CAD技术是IC设计人才必须具备的重要技能之一。集成电路版图CAD课程是我校电子科学与技术专业和集成电路设计与集成系统专业重要的专业主干课，开设在大三第二学期，并列入我校第一批重点课程建设项目。本课程的实践教学是教学活动的重要组成部分，它是对理论教学的验证、补充和拓展，具有较强的直观性和操作性，旨在培养学生的实践动手能力、组织管理能力、创新能力和服务社会能力。结合几年来的教学实践，笔者从本课程实验、课程设计、课外科技竞赛等实践环节的设计工具、教学内容设计、教学方法和教学手段、师资队伍建设以及考核管理等方面进行总结。探讨本课程实践教学模式可加强学生应用理论知识解决实际问题的能力，提升就业竞争力，对他们成为IC设计人才具有十分重要的意义。

1 版图设计工具

集成电路CAD技术贯穿于集成电路整个产业链（设计、制造、封装和测试），集成电路版图设计环节同样离不开CAD工具支持。目前业内主流版图设计工具有Cadence公司的Virtuoso，Mentor Graphics公司的IC Flow，Springsoft公司的Laker_L3，Tanner Research公司的L_Edit和北京华大九天公司的Aether等。这些版图设计工具的使用流程大同小异，但在自动化程度、验证规模、验证速度等方面有所差异，在售价方面，国外版图设计工具贵得惊人，不过近年来这些公司相继推出大学销售计划，降低了版图设计工具的价格。高校选择哪种版图设计工具进行教学，则视条件而定。我校电子信息学院有2个省级实验教学示范中心和1个省部共建实验室，利用这些经费，我们购买了部分业内一流的EDA工具进行教学和科研。目前，我校版图设计工具有北京华大九天公司的Aether和Springsoft公司的Laker_L3。

2 两种相辅相成的实验教学模式

我校集成电路版图CAD课程共48学时（理论讲授24学时、实验24学时），实验环节是本课程教学的重要部分，在有限的实验教学时间内既要完成教学内容，又要培养学生创新能力，需要对实验教学模式进行改革和创新。本课程实验教学的目的与要求：与理论教学相衔接，熟练使用版图设计工具，学会基本元器件、基本数字门电路、基本模拟单元的版图设计，为本课程后续的课程设计环节做准备。紧紧围绕“一个规则（版图几何设计规则）、两个流程（版图编辑流程和验证流程）、四个问题”这条主线设计实验内容[1，2]。要解决的4个问题分别是：（1）版图设计前需要做哪些准备工作？（2）如何理解一个元器件（晶体管、电阻、电容、电感）的版图含义[3，4]？（3）如何修改版图中的几何设计规则检查错误？（4）如何修改版图和电路图一致性错误？表1为本课程实验内容、对应学时及对应知识点。笔者设计了两种相辅相成的实验教学模式：系统化实验教学模式和实例化实验教学模式。系统化实验教学从有系统的、完整的角度出发设计了实验教学内容，如设计实验3（数字基本门电路版图阅读）时，安排了5学时，采用3种版图阅读方式：读现有版图库中的单元电路版图、显微镜下读版图和读已解剖的芯片版图照片。针对同一内容，采用不同形式，彼此类比，加深印象，既有实物，又有动手操作，增强了直观性和感性认识。又如设计实验5（模拟单元MOS差分对管版图设计）时，安排了5学时，从器件匹配的重要性入手，给出MOS差分对管的电路图，讲解具体器件的形状、方向、连接对匹配的影响，特别是工艺过程引入器件的失配和误差，对MOS差分对管的3种版图分布形式（管子方向不对称形式、垂直对称水平栅极形式、垂直对称垂直栅极形式）进行逐一分析，指出支路电流大小对金属线的宽度要求，对较大尺寸的对管，采用“同心布局”结构。实例化实验教学先提出目标实例，围绕该实例，设计具体步骤，教师先示范，学生再模仿，如设计实验7（集成无源器件版图设计）时，由于集成电阻、电容和电感种类很多，不能面面俱到，要求只对多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件进行版图分析和设计。课堂实验的内容和课时是有限的，为此我们设置了课外实验项目，感兴趣的学生选取一些实验项目自己完成，指导教师定期检查。学院开放了EDA实验中心（2007年该中心被遴选为省级实验教学示范中心建设点，2009年12月通过省级验收），学生对本课程很感兴趣，课外使用EDA实验室进行自主实验相当踊跃。通过上述的实验教学方法，特别是课外实验项目的训练，学生分析问题、解决问题的能力和科研素养得到了提高。

表1 课程实验内容、对应学时及对应知识点

表1（续）

4 基于0.6μmCMOS工艺的数字门电路版图设计 5 理解上华华润0.6 μm硅栅CMOS几何设计规则；学会CMOS反相器、传输门、与非、或非等基本门电路版图设计；DRC检查。

5 基于0.6 μmCMOS工艺的MOS差分对管版图设计 4 MOS差分对管版图设计，包括匹配原则、同心布局等，DRC检查。

6 版图电路图一致性检查 3 掌握LVS流程、LVS错误修改。

7 集成无源器件版图设计 3 多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件版图设计。

3 改革课程设计环节

课程设计是本课程培养学生工程应用能力的综合性实践教学环节，时间2周，集中指导，提前1个月发给学生任务书和指导书，每个班配备2名指导教师，注重过程控制。笔者在教学内容、考核等方面进行了改革和创新：在教学内容设计上，给出了必做题和选做题，在选做题中要求每位学生完成数字电路版图1题和模拟电路版图1题，具体题目由抽签决定，做到1人1题，避免学生抄袭。考核成绩由课程设计成果（占50%）、小论文（占30%）、答辩（占20%）三方面综合给出。以往的课程设计报告改为撰写科技小论文，包括中英文题目、中英文摘要及关键词、引言、电路原理与分析、版图设计过程、分析与讨论、结束语和参考文献，让学生学习如何撰写科技论文。精选优质小论文放在本课程网上学习资料库里，供学生相互传阅和学习。课程设计答辩具体要求参照毕业设计（论文）答辩要求，包括准备PPT讲稿、讲解5分钟、指导教师点评等过程，每位学生至少需要10分钟时间。学生对课程设计答辩反映相当好，锻炼了语言组织和口头表达能力，而且相互间可以直接交流和学习。我们还挑选课程设计成绩优秀的学生参加校内集成电路版图设计大赛。虽然课程设计的改革和实践需要教师付出很多精力和时间，但我们无怨无悔，学生的认可和进步是我们最大的收获。

4 精心指导学生参加课外科技竞赛

目前我校学生参加的集成电路版图设计竞赛有校级版图设计大赛以及行业协会和企业组织的版图设计竞赛等。由校教务处主办，电子信息学院承办的南通大学版图设计大赛是校级三大电子设计竞赛之一，每年8月底举行，邀请集成电路设计公司一线设计人员和半导体协会专业人士担任评委，增加了竞赛的专业性和公正性，目前已经举办了6届，反响不错。从校级版图设计大赛获奖者中挑选一部分学生参加行业协会和企业组织的版图设计竞赛，如苏州半导体协会主办的集成电路版图设计技能竞赛、北京华大九天公司主办的“华大九天杯”集成电路设计大赛，其中“华大九天杯”集成电路设计大赛将挑选优秀获奖学生参加华润上华的免费流片，学生经历从电路设计、版图设计及验证、流片到测试各个环节，提高了综合训练能力。

5 加强师资队伍建设

要提高课程实践环节的教学质量，关键是指导教师要思想素质好，专业理论知识强，科研水平高，因此我们着力建立一支年龄结构、职称合理的实践教学队伍。目前很多年轻教师是从校园走向校园，毕业后直接上岗指导学习实践，缺少工程实践经历和经验。为了提高教师自身的业务水平，加强对年轻教师的培养，近十年来，我院每年暑假举行集成电路CAD技术实践培训班，由经验丰富的教学、科研一线教师主讲；不定期地邀请一流IC设计公司一线设计人员来院开设讲座；同时挑选年轻骨干教师到一流IC设计公司学习和实践，时间至少半年以上；现已聘请IC设计公司一线设计人员6人为兼职教师，指导课程设计和毕业设计。集成电路CAD技术日新月异，课程实践环节师资队伍建设必须与时俱进。

6 结束语

我校电子科学与技术专业、集成电路设计与集成系统专业2012年被评为省重点建设专业，也是江苏省首批培养卓越工程师的专业。集成电路版图设计是这两个专业卓越工程师培养计划的重要内容之一，总结和探讨集成电路版图CAD课程实践教学意义重大，今后我们要继续推进该课程实践环节的建设与改革，不断探索，为我国集成电路设计人才的培养而努力奋斗。

参考文献

[1] 施敏，孙玲，景为平.浅谈“集成电路版图CAD”课程建设[J].中国集成电路，2007（12）：59-62.

[2] 施敏，徐晨.基于九天EDA系统的集成电路版图设计[J].南通工学院学报：自然科学版，2004，3（4）：101-103.

篇2

关键字:数字模拟转换器;温度计码;电阻匹配;版图

Design and Simulation of a 10-bit Digital-to-Analog

Converter with High-Precision and Low-Cost

MA Ye , LI Bin

(School of Electronic and Information Engineering, South China University

of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract: With the development of IC technology, high-precision digital-analog converter module (DAC) has been one of the indispensable modules in chips. One of the most critical factors which affect the precision of the digital-analog converter is the resistance matching degree. In this paper, a 10-bit DAC with high-precision and low-cost is designed and implemented by 0.35μm process technology. The requirement for the matching coefficient of the resistance in this circuit is the same with that of the 7-bit DAC, which means the requirement of the process technology and the precision of the layout is decreased by 8 times, resulting in low cost. Finally, the temperature effect on the layout is further decreased by the proper layout of the DAC. The testing results show that the scope of the DNL is -0.2~+0.2 and that of the INL is -0.6~+0.6.The proposed DAC has been successfully applied in the commercial motor chips.

Key words:DAC;thermometer code;resistance matching ;layout

1引言

随着信息时代的飞速发展,日益精确的信息处理芯片对数模/模数转化器(DAC/ADC)精度提出越来越高的要求,高精度、低成本的数模/模数转换器的设计面临着严峻的挑战。本文研究一种提高DAC转换精度的方法,并通过新颖的电路和版图结构,设计了一个高精度、严格单调的数模转换器。

传统DAC有两种典型的架构:R-2R阶梯式结构和2nR结构。传统的R-2R LADDER 结构如图1所示[1,2]。

该结构的特点是速度快,但对电阻的匹配与温度特性要求很高。假设图1是一个10位DAC,最大输出为2 mV。当输入码字是0,111,111,111时,输出电压是0.999 mV。当输入码字跳变为1,000,000,000时,输出电压是1 mV,此时MSB(most significant bit)b10接偏置电源,其它位开关都接地。如果b10位有0.001 mV的误差将导致DAC输出曲线的非线性,即MSB位电阻偏差必须保证在0.001/1 = 0.1%以内,才能保证DAC的单调性。这样,对于高位数的DAC将给版图以及工艺制程提出非常高的要求。

2nR阶梯结构非常简单,对电阻匹配要求也很低。但是随着DAC位数的增加,芯片面积也急剧增加导致了成本上升,并且这种DAC响应速度很慢。对于10位的 DAC需要210个电阻,因此该结构的设计只适用于低位数的DAC。

本文采用一种分段阶梯的电阻网络架构设计一个高精度10位DAC,有效地避免了两者的短处,同时在版图设计上采用新颖的排列,从而使电阻匹配系数要求与7位DAC的要求相同,降低了芯片的设计难度与生产成本。

2分段阶梯结构DAC

分段阶梯结构的DAC是R-2R结构与2nR结构的结合,是经常采用的一种DAC结构。分段阶梯DAC的示意图如图2所示。

分段阶梯结构中的关键是决定哪几位采用温度计码(thermometer code),最大程度地降低脉冲尖峰对DAC的影响[3,4]。很明显,使用温度计码结构的位数越多,对尖峰脉冲的抑制效果更好。但是采用的温度计码结构位数越多,电阻个数会以指数增长,成本也急剧地增加。因此,在选择使用温度计码结构位数和版图面积上存在一个折中。从仿真的结果得出,在该10位DAC中采用3位的温度计码能有效地抑制脉冲尖峰对性能的影响(如图3),图中曲线族是不同工艺角的仿真结果。从图中可以看出分割位数取3的时候,尖峰脉冲与版图面积达到一个最理想的折中。

因此,本文设计的DAC高三位采用温度计码结构,低7位采用R-2R阶梯结构。该DAC总共包括1024个模拟输出级,采用三位温度计码的分割结构将其分割成了八个128级的模拟输出。从图2可以看出,右边的R-2R结构产生128级的模拟输出,左边的分割结构控制着八个128级模拟输出。左边的三位分割结构由一个3-8解码器控制(如图4),其真值表如表1所示。这样分割的高三位不受电阻匹配的任何影响,只要DAC低七位的严格单调性就可以保证DAC的DNL在-1～+1范围内。即MSB位由原来的bit9降低到了bit6,对电阻匹配要求降低了8倍,提高了DAC产品精度与良率。

3版图设计

无论是采用哪种结构的DAC,电阻的匹配特性都影响着电路的性能。有效地控制影响电阻匹配的因素可以提高电路性能。

3.1 电阻排列设计

晶圆上分布的电阻匹配主要存在两种斜率误差:线性误差和二次误差。线性误差主要是掺杂、氧化层厚度和电源供电差异等导致的。在晶圆的X Y平面上如图5(a)所示。二次误差是因为温度和芯片上的应力造成的,如图5(b)所示。图5(c)直观地给出了这两种斜率误差对电阻匹配的综合影响[5]。

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从图5可以看出,对DAC中电阻有效的排列可以降低因为不匹配所导致的误差。

典型的排列顺序有纵横方案(Row-Column Schemes)和层次方案(Hierarchical Schemes)等。表2可以看出电阻不同排列顺序对积分非线性误差(INL)性能优化的贡献[5]。

积分非线性(INL)是DAC的一个重要性能指标,是实际的有限精度特性和理想的有限精度特性在垂直方向上的最大差值。DAC的积分非线性(INL)是每一位的误差的累计。从表2中可以看到电阻版图排列方式对DAC性能影响很大,表中最后那种新的排列方式最大地优化了线性误差。因此,版图上电阻优化的排列顺序对DAC性能有着积极的影响。

3.2版图设计

在本文设计中的创新主要是通过电阻版图排列顺序来优化DAC电路的性能。首先电阻的不匹配系数公式为

σ(ΔRV)%=(1)

其中W、L分别为MOS管的栅宽和栅长,AΔRV是由工艺决定的[6,7]。根据UMC 0.35μm工艺提供的电阻匹配报告,AΔRV为1.4999/100。在DAC中MSB对性能影响最大,因此该设计中把高三位电阻的2R用4组电阻串联,每组由两个单位电阻R并联如图6所示,从而使电阻面积增大,降低不匹配系数,最后通过版图的布局将电阻在晶圆上的误差降到最低,进一步优化DAC的性能。

本文设计的DAC采用UMC0.35μm工艺实现,具体的版图如图7所示。

图7中8根黄色的电阻对应图6中展开的电阻,DAC版图总共使用了90根电阻。在版图中尽量增加动态随机分布,从而有利于抵消不匹配的影响。将版图尽可能地对称从而使电阻组合后(并联、串联)的阻值与理想值更接近。

从图6和图7中可以看到,电阻1&2、3&4、5&6和7&8是并联后再串联组成2R的MSB电阻。在版图上的排列如图7所示,主要考虑了三个因素:(1)电阻的并联。如1.05R与0.95R并联为0.49875R,与理想值0.5R偏差0.25%;1.01R与0.99R并联为0.5049495R,与理想值偏差为0.49%。因此电阻并联的话,应该使并联的电阻尽可能的阻值相等。在版图设计上让其间距最小来实现。(2)电阻的串联。如1.05R与0.95R串联为2R,1.01R与0.99R串联为2R。因此电阻串联的话,应使其版图尽可能的对称。在该版图里,设计上使4组串联的电阻以版图的三个中心点对称。(3)电阻的线性误差。在图5中可以看到电阻分布的斜率误差曲面存在三个中心点,因此在设计该DAC电阻版图时,充分利用这个特性在版图中设计了三个中心点来抵消斜率误差的影响。最后,DAC版图应该尽量摆放在芯片中心位置并远离功率管,以降低应力和温度对其特性的影响。

4测试结果

图8是在常温下使用3.3 V电压供电,DAC特性的测试结果。DNL的测试结果范围在-0.2 ～ +0.2,INL的测试结果范围在-0.6 ～ +0.6,设计的电路具有很好的单调性。

图9是DAC最大输出时的温度特性数据。左图是传统版图排列的DAC温度特性曲线,右图是本文设计的DAC温度特性曲线。由于本文设计的版图中采用三个中心点分布有效地降低了由于温度变化所导致的二次斜率误差,提高了DAC的温度特性。

图10是DAC的传输特性。从编码0到编码1023可以看到DAC的输出电流从0 mA单调线性地变换到102.3 mA,每一步是0.1 mA。

5结束语

本文在UMC 0.35μm制程下设计了一个10位高精度、严格单调的数模转换器,主要在电路结构和电阻版图排列上进行了创新。设计中有效地降低了电路对电阻匹配系数的要求,因此可以在一定的工艺条件下设计出更高位数、更高性能的DAC。另外,新颖的版图排列使DAC受温度与外部应力的影响减小,保证了传输特性的严格单调性与DAC的高精度。该电路结构简单并具有良好的传输特性,可以应用在大多数音频、马达等控制芯片中。

参考文献

[1]Lei Wang, Yasunori Fukatsu, and Kenzo Watanabe,“A CMOS R-2R Ladder Digital-to-Analog Converter and Its Characterization,” IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Budapest, Hungary, May 21 -23,2001.pp.1026-1031

[2]Michael Peter Kennedy,“On the Robustness of R-2R Ladder DAC’s,” IEEE TRANSACTIONS ON

(下转第58页)

CIRCUITS AND SYSTEMS-PART I: FUNDA- MENTAL THEORY AND APPLICATIONS, VOL. 47, NO. 2, FEBRUARY 2000 pp.109-116

[3] Mikael Gustavsson, J. Jacob Wikner ,and Nianxiong Nick Tan, “CMOS Data Converters for Com-muni cation”, Kluwer Academic Publishers 2002 pp.95-96

[4]Jurgen Deveugele,“A 10-bit 250-MS/s Binary- Weighted Current-Steering DAC,” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41, NO. 2, FEBRUARY 2006 pp.320-329

[5]Yonghua Cong,“Switching Sequence Optimization for Gradient Error Compensation in Thermometer- Decoded DAC Arrays,” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, VOL. 47, NO. 7, JULY 2000 pp.585-595 (TU)

[6]Marcel J.M. Pelgrom, Hans P. Tuinhout and Maarten Vertregt, “Transistor matching in analog CMOS app- lications,” 1998 IEEE pp.915-918

[7] Dongwon Seo,“A Heterogeneous 16-Bit DAC Using a Replica Compensation”,IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS―I: REGULAR PAPERS, VOL. 55, NO. 6, JULY 2008,pp.1455-1463

作者简介

马烨,华南理工大学电子与信息学院微电子研究所硕士研究生,研究方向模拟集成电路设计。

篇3

目前，我国微电子产业的发展前景良好，通过该专业技术与其他学科相互融合，促进了新兴学科的诞生，其中主要有生物芯片、微机械以及集成电路等技术。微电子产业在经过自主创业、引进以及重点建设的阶段后，其规模与技术水平得到了显著的提升，同时我国对集成电路设计应用的重视程度较高，并在我国一线城市建立了相关的设计中心，此时高校则以不同形式进行积极的参与。本文主要围绕微电子专业实验室建设及实践展开了讨论。

1创建微电子专业实验室的必要性及重要性

社会经济发展的重要前提就是先进的科学技术水平，而新时代进步的关键则是高素质的复合型人才，这一观点是微电子产业发展中的核心原则。随着我国经济的不断发展，集成电路设计行业对人才的需求量不断上升，预计在未来的10年中，该行业对设计人才的需求量可达10万-25万，同时芯片制造行业对工艺技术型人才的需求量可达10万[1]。我国加强推行素质教育，并在对教育改革提出了更新的要求，主要体现在改革教学内容、教学机制以及实验教学等几个方面，主要目的是提升课程内容的实践性，重点对学生掌握实操能力进行培养。然而，一般高校内的微电子专业主要都是其他专业转型而来的，例如，半导体器件物理、半导体器件物理，现实条件未能满足实验教学的实际需求。所以，大部分高校内普遍存在着微电子专业实验室建设较为落后的现象，对微电子技术专业人才的培养造成了不利因素。目前，微电子专业教学逐渐引起各校的关注，并采取了针对课程内容及实验形式的改革措施，然而实际的教学内容并未满足技术发展的要求，其教学的效果相对于社会实际需求而言，还存在着较大的差距。所以，具备创新能力及高素质的微电子专业人才的培养是促进自主知识产权的增强及微电子行业发展的重要举措，而加强实验教学并促进学生实践能力的提升，有效的提升了实践环节的质量，同时保证了微电子教学满足该行业技术发展的要求。

2微电子专业实验室创建过程、规划与目标

目前，随着微电子行业的迅速发展，建设微电子实验室的项目逐渐被各校重视。NJLG大学对微电子实验室的建设已设定450万专项资金，现已完成集成电路设计EDA实验室的建设，同时微电子器件、材料以及工艺的综合型实验室也已建设完成。在开展大型集成电路设计的教学活动中，可通过利用EDA实验室来完成教学任务，微电子器件、材料设备以及工艺参数的测试等实验则利用微电子综合型实验室来进行实验教学。同时对实验室建设、教学改革方案以及教学目标进行规划时，其主要内容应符合该行业发展的实际需求，设计内容应具备前瞻性，同时遵循实事求是的原则。因此，可将创建国内先进EDA实验室及微电子器件相关的综合型实验室作为创建实验室的规划内容与目标，从而形成完善的实验教学体系。该体系的不仅要符合微电子专业教学纲要的实际要求，同时还应满足微电子专业技术发展的要求，为微电子专业学生提供多功能的实验基地，加强实践教学。

3微电子专业实验室创建的内容

3.1微电子专业EDA实验室

EDA工具的种类较多，且价格差距较大。所以，NJLG大学在选择时遵循高级、中级以及低级合理搭配的原则。EDA实验的建设主要分为两个方面，硬件及网络结构的建设以及软件的建设。根据NJLG大学内该专业的学生情况及教学规模，为满足实际教学需求实验室配备了图形工作站、服务器（浪潮英信）各一台，机共计110台，同时还配备了相应的投影机、数字示波器以及扫描仪等设备。实验室中，建设计算机网络系统主要通过英信的服务器当做服务器来完成，其中软件服务器以及教师使用的指导教学机器都将通过的工作站来完成，学生则通过110台的机来进行学习[2]。与两者间通过建立局域网的方式来实现教学指导，学生用机不仅可单独的进行软件的安装工作，同时终端访问的也可通过学生用机进行，并对的软件进行运行操作。当学生进行实验操作时，可通过将系统在的工作站上进行登录且不需其他辅助软件，充分的利用了本地的资源，对资源配置起到了优化的作用。针对软件的建设主要通过九天系统（ZeniEDAsystem）来完成，该系统不仅与实现很好的兼容，同时对大量的标准数据格式的转换工作也非常便捷，模块的类别主要分为两种，即前端逻辑设计与后端物理设计，前者主要是包括了行为、功能验证模块、负责设计原理图的；后者主要包括了负责物理版图设计的和针对版图进行验证的以及负责寄生参数的提取等模块。同时实验室还引进了生产的的相关软件，主要为以及等。

3.2微电子器件材料以及工艺的综合型实验室

微电子器件材料以及工艺的综合型实验室的建设具有一定的复杂性，其设备的价格较贵，在设备的选择上可根据其使用的重要程度选取一些价格适中的设备。微电子综合型实验室分别为硬件的建设和软件的建设。在硬件过程中，针对工艺制备与器件的部分，实验室配备了用于半导体分析的仪器、探针台、光刻机以及晶管图示仪等设备，主要用于研究晶体管的性质及其相关的氧化、测试实验。关于材料制备与参数测试的部分，实验室配备了光谱仪、显微镜管式炉、测试仪以及电化学薄膜制备的系统等，该设备主要用于方块电阻、电阻率以及测试以及少子寿命的相关实验中[3]。实验室针对软件的建设主要针对工艺制备配置了模拟软件，该软件被器件及工艺模拟领域广泛使用，在进行半导体工艺流程的模拟与仿真的过程中，该软件具备准确性高、速度快的优势，同时针对新兴或特殊的器件都较为适用。

4实验项目的管理及其实践效果分析

4.1实验项目管理

在微电子专业实验教学中，实验项目的科学管理是其重要的前提条件和依据。通过对实验室的特点进行分析，实行了系主任及实验主任统一协调的教师责任制度。同时将实验的内容划分为两个实验板块，依照实验内容的分布情况组织四个小组分别对材料、器件、EDA以及工艺测试进行管理，各组对其负责的项目进行日常的设备维护及软件的使用情况。落实责任的分工，在项目成立初期，安装设备并进行调试工作，同时针对设备的使用制定详细的操作明细，并将实验指导的流程及设备维护保养的相关明细进行整理[4]。

4.2实践效果分析

微电子实验室的建立为学生提供了更好的學习环境，实验室的利用已经深入到各个教学阶段以及毕业设计当中，提升了主动学习的积极性同时激发了学生学习的兴趣，使学生的创新、实践能力得到了良好的培养，增强了学生对该专业学习的信心。通过在校期间针对该专业的实验操作，学生对集成电路设计及微电子器件的模拟及仿真等相关知识有了基础的掌握，为学生步入社会、进入企业能够更快的适应岗位、熟练掌握操作技巧奠定了基础，对学生保持竞争优势具有积极作用。

5结语

综上所述，加强微电子实验室建设对培养学生创新能力及实践能力具有积极作用，并在开展微电子教学活动中取得了良好的效果。随着科学技术的不断发展，微电子产业技术的要求也不断发生变化，实验室建设中仍需要不断的对经验进行总结，对实验室项目的不足进行及时改进，才能符合该产业发展的实际需求。

参考文献

[1]李淑萍.微电子技术专业实践教学体系的构建与实践[J].西北成人教育学院学报，2014，05（06）：40-44.

[2]李建军，王姝娅，张国俊，等.微电子教学实验室建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2015，05（06）：239-242.

[3]何佳.微电子封装专业实践教学体系的构建与探索[J].学周刊，2014，12（36）：42-43.

[4]陈伟元，吴清鑫，吴尘，等.高职微电子技术专业实验室的构建[J].实验室研究与探索，2012（07）：227-229.

篇4

“做不成我提头来见!”

2000年10月，中国科技大学，胡伟武在校园里疾步走着。胡伟武离开母校已经十年，这次是代表中科院计算所回来搞招生宣传――他现在已经是研究员、博士生导师了。但是当他推开实验室的大门，看到桌上满是芯片、电容、电阻、电烙铁……他的眼睛不由湿润了。

那些没日没夜与逻辑门、触发器、译码器、选择器玩儿命的日子，靠手工焊接连线制作处理器的日子，对他而言有一种深深的诱惑。此刻，他有一种重操旧业的冲动。

他拨通了一个电话。

电话是打给计算所体系结构研究室主任唐志敏的，唐志敏正在负责筹备我国自主知识产权的芯片――龙芯设计的总体规划和实施。胡伟武在电话里说:“给我两年时间，做不成我提头来见!”

激情比经验更重要

2000年11月，中科院计算所正式启动CPU设计项目。

这一年，胡伟武32岁，唐志敏35岁。他们能行吗?计算所的所长李国杰院士是坚定的支持派。他认为中国信息产业要实现跨越式的发展，突破点正是芯片产业的做大做强。他相信:“在信息技术领域，经验不见得是最重要的，只要有一定的研究基础，有激情，有一个团结的群体，就能够获得成功。”他大胆决策，拿出所里一半的运转经费1000万元投入龙芯CPU项目。

胡伟武是一个很讲义气的人，决定了去做芯片，他就把别的项目都推掉了，把出国邀请函放进抽屉里，全身心扑到龙芯CPU上。困了，就在实验室里打个盹儿;醒了，再接着干。胡伟武办公室墙上挂着头像和诗词“不怕远征难，万水千山只等闲……”，他似乎在伟人的目光下指挥着一场不见腥风血雨但是同样残酷的战争。

胡伟武的女儿才六岁多，在院里的小学读书，小姑娘知道爸爸很忙，只提了一个很小的要求:希望爸爸可以陪她一起坐班车回家。但是，自从项目启动，胡伟武一次都没能兑现。有一次，小姑娘忍不住哭了，一边哭一边说:“爸爸你就知道你的CPU，不管我和妈妈了。”胡伟武心里很难受，但还是硬着心肠没有答应。女儿看到爸爸很难过，后来不哭了，她说:“爸爸你一定要做成功，你要是做CPU做不过帝国主义，我以后接着做。”

那一刻，胡伟武百感交集，将女儿紧紧搂在怀中。

“狗剩”他爹他妈

CPU领域知识产权壁垒森严，龙芯的命运，扑朔迷离。在研究组里，大家都亲切地管“龙芯”叫“狗剩”，想的是取个贱一点儿的名字，将来好养活。

唐志敏和胡伟武提出的方略是绕过与奔腾的抗衡，选择与MIPS兼容的RISC指令集，将龙芯定位于服务器应用。通用CPU包括用于服务器的CPU和用于PC的CPU，Intel和AMD几乎分享了PC类CPU所有的市场，而在服务器领域，还没有形成一家独大的局面。并且,MIPS公司自己不做芯片，非常支持其它厂家设计、生产以及销售与MIPS兼容的芯片，在知识产权方面比较开放。

这个“孩子”，好像有了一线生机，可以躲过早夭的厄运。

零零星星听到关于这个“孩子”的消息，一些人从四面八方汇聚到研究组。他们一开始也没有想到，与这个“孩子”的感情最后会是多么难以割舍。张志敏就是其中一个。

2001年的春天，张志敏得知计算所要做CPU，非常激动，他马上打电话给李所长。他本来在航天集团工作，单位马上要派他出国做高级访问学者，他说他可以利用出国前的时间来帮忙。

等到看到胡伟武做的方案，张志敏就感叹，胡伟武真是很聪明，这件事肯定能成。

胡伟武也把张志敏称为“最佳搭档”，因为张志敏做工程出身，项目管理的经验丰富，与理论见长的胡伟武正好互补。做到后来，张志敏连国也不出了，主任的待遇也不要了，留下来和大家一起做“狗剩”他爹他妈。

Login:第一个大胜仗

奋战到2001年8月份，考验大家的时候到了。能否通过FPGA验证，是对前一阶段逻辑设计的检验。

胡伟武在日记中写道:

8月12日，星期日。下班前得知第二天有领导要来所里检查工作，决定冒险把原来定的联调时间提前一周，希望一次成功。但怕万一失手会影响士气，只找了几个骨干在星期一晚上开始联调。即使发现一个很小的错误，也要修改，而修改一次设计再形成新的FPGA烧制文件，至少需要八个小时。只有一天24小时全拿来工作，才能保证有两次修改机会。

8月13日，星期一。凌晨4点，把FPGA文件写入FPGA，没有任何动静。很快就用逻辑分析仪发现了问题。原因是启动时与主板握手机制有缺陷，导致主板一直没有撤掉复位信号。赶快修改，12点形成了新的FPGA烧制文件，写入后还是没有任何动静。晚上接着调试，发现芯片插卡上有两个焊点短路，去掉后，主板的液晶显示器上如约显示出“GODSON”(“狗剩”的英文译名)字样，立时爆发出一片欢呼。

8月14日，星期二。我们决定连续作战，到晚上十一点左右，成功地运行经过改造的主板上的BIOS系统，相当于一个简单的操作系统，又是一片欢呼，这时课题组的其他成员才知道，我们是在龙芯上运行程序。12点，要求所有人回家睡觉。晚上雷声大作，风雨交加，以示庆贺。忽然觉得，几个月来沉重的压力稍有缓和，我却兴奋得难以入眠。

8月15日，星期三。上班后开始试图启动LINUX操作系统，但每次都在最后进入用户态启动各种应用程序时出错。怀疑是TLB的问题，因为访问用户空间才开始使用TLB。一直跟TLB斗争了三天两夜，中间发现了不少问题，每次充满期望地改过来却总是归于失望。

8月18日，星期六。直到吃晚饭前，才恍然大悟，发现这些天来困扰我们的问题，赶快修改。

8月19日，凌晨两点多。形成FPGA文件并写入FPGA，2点42分，屏幕上出现了“login”字样，登录进去随便玩儿，和使用其它机器上的LINUX一样。我用vi编辑了一个文件记录这一历史时刻，兴奋得马上给唐志敏打电话报告好消息。那时虽然我们都已经极度疲惫，但在场的六个人都兴奋得毫无睡意，当晚是风雨交加，我们一直聊天到天亮。早上6点，大家回家睡觉，我连续睡了二十多个小时。

一竿子插到底

芯片研制分为两个大的阶段，一是逻辑设计阶段，好比写书要先形成一个草稿;之后是物理设计，好比为了把书成批印出来，要按印刷的要求进行排版。

第一款“验证芯片”已经完成了龙芯的逻辑设计工作，很多人都劝课题组把物理设计交出去算了。毕竟计算所没有做过物理设计，但是胡伟武坚持“一竿子插到底”。

课题组计划分两步走。A方案是委托有经验的第三方物理设计公司进行物理设计，这是一个保底方案。同时，与第三方加强交互，组织自己的队伍进行物理设计。

原来以为春节就可以交给第三方一个综合出来的门级网表，但是RTL设计总是改了又改，可测性设计方案也一直在调整。每次解决一个问题，另一个问题又接踵而至。2002年春节，好多人留下来加班。“你回去也休息不好，心里发慌，不如在这里做事情。”胡伟武说。

过年的时候，他们给三个实验室的门上都贴了春联，看上去喜气洋洋。有一副春联写道:辞旧岁狗剩横空出世，迎新春龙芯马到成功。还有一个横批写道:知苦不苦。

团结就是力量

龙芯的研究团队是一个团结的团队，彼此之间很理解。大家的目的很明确，就是把事情做成。

胡伟武自己都承认在性格上有极端的地方，他是典型的搞科研的人，说到开会、写报告就头疼。龙芯这个大项目按经费的来源划分为好多个课题，有计算所立的、科学院立的、科技部立的等等。作为其中一些课题的负责人，立项、申请、合同、汇报等事情，胡伟武一个字都没有写过，都是唐志敏代劳。胡伟武感动地说:“我在计算所十来年，见了不少下属帮领导写报告的事，却从未见过领导帮下属写报告。”

宽厚的唐志敏对此的说法是“大家自觉地走向了一种分工”。在现有的框架里来做事，如果还想做成这个项目，很多琐事必须去做，于是他就去做了。

胡伟武和张志敏的合作也很有意思。胡伟武的一个重要技术决策――浮点除法是在物理设计阶段加入的。在对性能的追求上，胡伟武有科研人员的执著，而张志敏有从工程出发的冷静考虑。浮点除法部件的设计比较复杂，加入一个新的设计很可能导致大的变动，影响项目按时完工，但是胡伟武一定要做，有什么办法保证他一定能成功呢?张志敏太了解胡伟武了，于是两人打赌，三天之内搞不定浮点除法，胡伟武就绕整个北楼喊一圈“张志敏真厉害”。胡伟武是“拼命三郎”，他从不服输，结果是胡伟武组织定点除法和浮点乘法的设计人员两天就把浮点除法设计完并在FPGA中跑起来。

胡伟武和负责测试研究的李晓维之间也是争论不断，作为测试方面的专家，李晓维强调测试的重要性，但是往芯片设计上加东西会导致在关键路径上时间又多一些，而胡伟武始终想提高频率，唐志敏的办法是让大家充分表达自己的观点，相互学习，最后彼此都很佩服对方。

七天七夜

课题组在4月底将网表交给第三方设计公司。事情做到这个份儿上，已经算有个交待了。但是热血沸腾的胡伟武和团队里的成员并不因此而满足。这个时候，微电子中心的黄令仪老师和她的学生也加入到这个项目中。他们的参与，使课题组自己做物理设计的进程大大加快了。

课题组还必须拿到跟集成电路生产工艺密切相关的单元库才能开始自己的物理设计。负责办这件事情的陈岚副研究员想了很多办法，最后发现，惟一可行且合法的途径是寻求芯片制作厂商的授权。课题组将目光锁定台湾的台积电。但是，台积电的方针是只发展像IBM这样的大客户，以龙芯目前实验用的产量，对台积电来讲是笔不赚钱的买卖，怎么办?一贯埋头做学问的科研人员也要给流片厂商讲故事才行，要让对方看到自己未来潜在的市场。台积电在大陆的代表到课题组来了好几次，看项目的进展，和研究人员交谈。到2002年4月份的时候，这件事也确定下来了。

课题组真正拿到物理库和设计规则是在6月份。当明确地知道自己具备完成物理设计的客观条件时，组里的空气顿时紧张起来。A方案已经在6月份交给台积电流片(按集成电路流水线生产标准生产芯片，行话称之为“流片”)，课题组决定把自己做物理设计的方案在7月份交出去流片。

课题组决定同时做两个物理设计，一个是实验性的B方案，一个是准备量产的正式方案――C方案，面积小，布线难度也大多了。

C方案详细布线完成后，离截止日期不到一周的时间。马上开始检验、调整，连续加班三天三夜，课题组终于在7月3日完成了版图并通过了LVS检查。

不料测试组在最后关头发现一个错误，重做布线已经来不及了。胡伟武通宵达旦干了24小时手工改版图，终于把这个错误也消灭了。这时候离截止日期还有一天。

下午5点时，测试组又发现一个问题，扫描链在重连时没有根据要求连出来。听到这个消息，胡伟武的大脑变得一片空白，回到机房看到大家因连续熬夜苍白的脸，胡伟武几乎决定放弃了。胡伟武把负责物理设计的几个人召集起来说明情况，没想到负责后端版图编辑的杨旭他们马上就说我们可以手工再改版图。胡伟武眼睛一热。

半个小时后，胡伟武在机房进行了动员，第一句话就是:“我们肩负的是历史使命，我们要做出中国第一台不依赖于洋人CPU的计算机。”手工修改网表的工作量很大，一个芯片内部几十万根线都不止，有时候改一根线用一天时间都有可能。跟厂里联系，因为是周末，课题组得到了多一天的期限。在接下来的两天两夜里，胡伟武带领大家用手工把一万多个触发器分成十几条扫描链，并连出来。由于大家都十分疲惫，胡伟武要求任何一个修改都是一人操作，另外两人在边上看着。7日凌晨三点多，最后一项工作完成，每个人在工作单上签字，大家的手都在哆嗦。

胡伟武让所有人都回去休息，人陆续走后，胡伟武一个人呆在办公室里。他对自己说，就这样了，没什么可后悔的了。

这已经是连续加班的第七天。

这是一个激动人心的时刻

在胡伟武这边做物理设计的同时，张志敏设计的主板以及由王剑和张福新负责的系统软件也基本调试完毕，一系列基于龙芯1号的应用方案也相继出台，一切等待最后的系统验证。

长时间的等待使人变得有些疑神疑鬼。有很多次，胡伟武半夜惊醒，突然想起某个地方有个疏漏，就再也睡不着，眼睁睁挨到天亮，到单位赶快查文件证实自己错了，一颗悬着的心才落地。

芯片终于回来了。8月9日晚9点30分,一切就绪,胡伟武把带有龙芯1号CPU的子卡插到主板上,屏住呼吸按下电源键，主板的数码管上瞬间就显示出预期的“Godson-1”字样，引起一阵欢呼。

8月10日早上6点8分，“godson login:”的字样终于出现在显示器上，大家高兴得长时间欢呼。胡伟武抱着键盘，迫不及待地登录进去，用vi编辑龙芯1号产生的第一个文件，其中一段是这样写的:

The great ecstasy at this moment makes all of our exhausting efforts of the past year be over paid. Though this is only a little step of a long march, it indicates the glorious future of our own CPU.

(这是一个激动人心的时刻，过去一年里我们所有的付出孕育了这一刻。虽然，在漫长的开发道路上，我们只是踏上了一个小台阶而已，但是毫无疑问，这预示了我们自己的CPU光辉的未来。)

快到七点的时候，胡伟武觉得没问题了，上楼到办公室给李老师和唐志敏打电话。李老师接到电话后就说:“我马上来。”没等胡伟武把地点告诉他，就把电话挂了。给唐志敏打电话，他正在北京的一个郊县开会，他兴奋地说:“太好了太好了太好了。”然后马上就往回赶。唐志敏平时很沉得住气，从来没有见过他像今天这样，跟个小孩儿似的。

李老师和唐志敏先后来看了“狗剩”一会儿，已是早上9点了，大家谁都不困，都不想回去。本来前一晚说好调通后去天安门广场看升国旗，可是现在国旗早升起来了。胡伟武就说:“咱们还是到天安门向报告去。”结果大家一起打车去天安门，那一天，去纪念堂的人特别多，胡伟武他们排了一个多小时的队，终于得偿心愿，于是大家回去睡觉。

8月10日调通的是A方案，即委托第三方做物理设计的方案。高兴了两天之后，大家又开始担心B方案和C方案能不能成功。

8月29日，终于拿到了C方案的首批芯片。许彤、范宝峡和郑为民他们忍不住在焊接现场就进行联调，胡伟武在电话里严肃地说要进行处罚，但是心里很高兴。他们回来后，胡伟武又和大家一起对调通的样机进行了更多的测试,一直到凌晨十二点左右,没有发现问题，胡伟武给全组都发了一封邮件，告知C方案成功的消息。

发完邮件后，胡伟武靠在办公室的沙发上，觉得非常累，但又睡不着。胡伟武想起一些网友去年的鼓励――“只要能做出来，再贵也要买”;想起课题组在向院党组汇报龙芯的工作出来后，江院长追出来跟李老师说:“李院士，我就把这个宝押在你身上了”;想起在机房度过的无数个不眠之夜;想起最后连续加班七天七夜的每一个细节，每一张累得毫无血色却执著不改的面孔……

那一刻，胡伟武泪水满眶。

几代人的梦想

9月20日，龙芯1号通过了测试组的测试。

9月22日，龙芯1号通过了由中国科学院组织的鉴定委员会的鉴定。

9月28日，中国科学院举行了龙芯1号的会。胡伟武的恩师夏培肃院士专门来看他，她很高兴龙芯终于被做出来了。50年前，在华罗庚先生的倡议下，夏老师等三位同志组成了中国第一个计算机研究小组，现在，龙芯项目组里的很多人都是她的学生，或学生的学生。在胡伟武的提议下，龙芯1号的物理版图中，每一层金属上都刻上了“XIA50”的字样。

关于龙芯2号

龙芯只有在市场上取得成功才是真的成功。与龙芯配套的LINUX操作系统也已经开发成功;张志敏开始开发龙芯专用主板;曙光公司开发的龙腾服务器已经问世;与此同时，以龙芯为CPU的网络计算机也已开发成功……一个产业链初具雏形。

芯片本身也需要不断改进，胡伟武已经开始进行龙芯2号的研制。“性能要有大幅度的提高才行。”他很自信地说。