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集成电路设计平台构建

2016/02/16 阅读:

【摘要】

为满足集成电路方面教学和科研的需要,同济大学电子科学与技术系以985三期实验室建设、教育部修购计划两项经费所购置的设备为主体,充分整合利用本系目前已有的设备,完成了一个覆盖完整的集成电路设计平台的构建。依托同济大学第8期实验教改项目的支持,电子科学与技术系在平台的应用方面进行了有益的探索:针对本科生实验教学完成了集成电路设计系列实验课程开设;在集成电路相关科研项目中进行了实际应用,为科研工作提供了良好的支撑。

【关键词】

集成电路;设计平台;实验教学;科研

进入21世纪之后,集成电路在我国相关产业及教育领域的重要性日益凸显。2000年6月,国务院了纲领性文件《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》(国发2000〔18号〕)[1],明确了集成电路作为国家战略性新兴产业的地位。在其后的国家中长期科技发展规划等文件中,均将集成电路列为重要的发展方向,自此我国集成电路产业进入了蓬勃发展的时期。产业的快速发展必然需要科技和教育的配合。基于此原因,国务院科教领导小组批准实施国家科技重大专项—集成电路与软件重大专项,其后教育部、科技部决定在国内有相对优势的高等院校建立国家集成电路人才培养基地,分别于2003年、2004年及2009年分3批批准和支持20所高校进行人才培养基地的建设工作。笔者所在的同济大学为第2批建设的6所高校之一。

同济大学电子科学与技术系成立于2002年,历史较短,在集成电路方面的基础较为薄弱。但自成立之初便将集成电路设计列为最重要的教学与科研方向之一,参考国际知名高校以及国内兄弟院校的先进经验[2-4],在课程设置等人才培养环节进行了积极的探索[5]。但是,集成电路设计强调工程设计实践,如果缺乏相应的设计平台,仅以理论知识为主,会导致培养出的学生与产业需求契合度不高。这也是诸多高校在集成电路设计的实验设置及实践环节进行教学改革和积极探索的原因[6-7]。我系也意识到亟须加强实践环节的相关建设。基于以上原因,我们充分利用985三期实验室建设、教育部修购计划两项经费的支持,在集成电路设计平台的构建方面进行了积极的尝试。

1建设方案与建设过程

1.1平台建设的基础依托985二期实验室建设、教育部修购计划两项经费为我系的教学改革提供了非常有力的支持,根据各个学科方向的统筹规划,分配约150万元用于集成电路及与系统设计相关的设备购置。购置的设备见表1、表2。除以上两部分设备之外,本系已经部分购置了与集成电路设计相关的设备,如Dell服务器、SUN工作站、各类测试与信号发生设备等。因此,我系已经初步具备了建设一个覆盖半导体器件制备与分析、集成电路设计与测试、系统级设计验证完整流程的专业实验与设计平台的基础条件。

1.2总体构想与平台规划基于上述基础硬件设备,我系在有限的场地资源中安排了专门的场地作为半导体器件与集成电路设计专业实验室,以支持集成电路设计平台的建设。将拟建设的半导体与集成电路设计专业实验室划分为4个功能区:服务器与中央控制区、集成电路设计区、集成电路分析与测试区、系统级设计与验证区。总体的规划如图1所示,功能与设备支撑概述如下。(1)服务器与中央控制区。主要空间用于放置3个机柜、承载两个机架式服务器(HP、Dell)、存储阵列(SAS15000RPM接口、初始配置7.2TB)、一个卧式服务器(超微)以及UPS电源、万兆交换机等供电和网络配件。需注意该部分噪声较大,故应与实验室其他功能区隔离。提供VPN、远程配置以及各类必要的服务,配置完整的EDA工具系统,覆盖集成电路设计全流程。(2)集成电路设计区。20个左右的工位,主要为HP工作站。具备两类工作方式:作为终端登录服务器系统使用;在服务器系统不能提供支持时独立使用。除工作站之外,配备2~3个文件柜、工具柜。(3)集成电路分析与测试区。主要功能为集成电路(晶圆、裸片、封装后芯片)的分析、测试。分析与测试系统以两套手动探针测试台(包括基座、卡盘、ADV显微镜)、超长焦金相显微镜(超长工作距离,2000倍放大)、4套微米级精确位移系统(包括探针、针臂、针座、线缆与接口)为主,并配备2台台式计算机以及信号发生器、稳压电源、逻辑分析仪1台、示波器1台,用作信号发生与记录、信号与图像采集功能。配备两个实验工具柜。(4)系统级设计与验证区。6个工位,配备2~3台计算机。考虑到面积有限,而该区功能较多,以多功能复用的方式设置工位的功能。该区的功能包括:①板级电路设计与测试。主要支撑设备为必要的计算机系统(软、硬件)。多台逻辑分析仪、示波器、信号发生器、万用表、稳压电源、必要的电子元器件及焊接设备等。②基于FPGA的系统设计。主要支撑设备为计算机系统(软、硬件)、4套Virtex-5FPGA系统。③嵌入式系统设计。主要支撑设备为计算机系统、3套VeriSOC-ARM9开发平台、多套PSoC开发套件、多套ARM开发套件、微控制器开发套件等。④集成电路系统级验证。与板级电路与测试共用各类设备。

1.3软硬件系统与设计流程构建基于新购买的存储阵列(NetApp)、服务器(DL380G7)、交换机(CISCO),并整合本系统原有的两台服务器(一台Dell机架式、一台超微立式),构成一个EDA开发服务系统。系统构建方面,我们进行了基于传统的EDA开发环境架构,以及基于虚拟化系统进行构建的两种尝试。存储结构上基于存储阵列,提供足够安全的冗余备份与保护。系统具备负载均衡功能。最终构建的系统可直接支持同一实验室内20台以上HP工作站的同时接入,并提供远程登录支持;以及通过同济大学校园网,提供外网的VPN接入支持。在硬件系统的基础上,我们安装配置了完善的EDA工具链,以提供覆盖全流程的集成电路设计支持。

2教学与科研应用

前述所构建的集成电路设计平台仅是基础的软硬件系统,如果要在实际的教学和科研工作中进行使用,尚需进行相关的课程大纲规划、实验方案设计以及实际的芯片设计检验。通过同济大学第8期实验教学改革项目的支持,我们在这些方面开展了一定的工作,主要包括以下两个方面。

2.1教学应用完成了实验方案内容建设,构建形成了一套覆盖集成电路设计全流程的实验方案,并兼顾半导体器件、集成电路测试;设计的系列实验应用于新开设的“集成电路设计实验”课程中,以丰富和扩展该门课程的实验内容,提高学生的学习积极性。该课程每周4学时,已经完成2013、2014两个学年的实验教学工作。具体的实验内容包括反相器实验(电路原理图输入、电路仿真、版图设计、版图设计规则检查及一致性检查、后仿真)、一位全加器系列试验、基本模拟电路单元设计实验、综合定制设计实验、硬件描述语言设计与验证实验(选做)、自动综合与布局布线设计实验(选做)。构建的软硬件平台,除用于集成电路设计实验课之外,亦用于电子系“半导体器件物理”“半导体工艺原理”等多门课程的实验环节,以及本科生毕业设计中。与现有的本科生各类创新活动相结合,为该类活动的人员选拔与培养、培训起到了一定的辅助作用。

2.2科研应用集成电路设计平台除用于相关的实验教学任务之外,亦可为相关的科研工作提供良好的支撑。在该平台所定义的开发环境及设计流程上,我们完成了两款65纳米工艺超大规模集成电路芯片的设计工作,其中一款已经返回,并进行了较为完整的测试,功能及性能均符合预期,芯片如图2、图3所示。这些设计很好地确证了该平台的完整性和可靠性。

【参考文献】

[1]国务院.国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知[EB/OL].2006-6.

[2]叶红.美国高校电子工程类专业本科培养方案浅析[J].高等理科教育,2007(6):64-67.

[3]于歆杰,王树民,陆文娟.麻省理工学院教育教学考察报告(二)—培养方案与课程设置篇[J].电气电子教学学报.2004(5):1-5.

[4]Bulletinforundergraduateeducation[EB/OL].

[5]罗胜钦,王遵彤,万国春,等.电子科学与技术专业培养方案初探[J].电气电子教学学报.2009(31):89-91.

[6]张立军,羊箭锋,孙燃.CMOS集成电路设计教学及实验改革[J].电气电子教学学报.2012,34(1):105-107.

[7]李东生,尹学忠.改革传统课程教学,强化EDA和集成电路设计[J].实验技术与管理.2005,22(4):1-4.

作者:张志峰 万国春 童美松 单位:同济大学电子与信息工程学院

集成电路设计平台构建

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