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微電子專(zhuān)業(yè)集成電路版圖設計的教學(xué)研究論文
集成電路版圖設計涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計算機圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎理論，這是微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養重點(diǎn)方向。以CMOS反相器和基本MOS差分放大器為例，介紹了集成電路版圖設計的教學(xué)內容。學(xué)生通過(guò)集成電路版圖設計的教學(xué)環(huán)節，鞏固了專(zhuān)業(yè)課程的理論知識，提高了集成電路設計的實(shí)踐能力。
集成電路(Integrated Circuit)產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集型、技術(shù)密集型、資本密集和人才密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展全局的基礎性、先導性和戰略性產(chǎn)業(yè)，是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和關(guān)鍵，對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有巨大的支撐作用。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已初步形成了設計、芯片制造和封測三業(yè)并舉的發(fā)展格局，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。但與國際先進(jìn)水平相比，我國集成電路產(chǎn)業(yè)還存在發(fā)展基礎較為薄弱、企業(yè)科技創(chuàng )新和自我發(fā)展能力不強、應用開(kāi)發(fā)水平急待提高、產(chǎn)業(yè)鏈有待完善等問(wèn)題。在集成電路產(chǎn)業(yè)中，集成電路設計是整個(gè)產(chǎn)業(yè)的龍頭和靈魂。而我國集成電路設計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠滯后于計算機與通信產(chǎn)業(yè)，集成電路設計人才嚴重匱乏，已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，培養大量高水平的集成電路設計人才，是當前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是高校微電子等相關(guān)專(zhuān)業(yè)改革和發(fā)展的機遇和挑戰。[1-4]
一、集成電路版圖設計軟件平臺
為了滿(mǎn)足新形勢下集成電路人才培養和科學(xué)研究的需要，合肥工業(yè)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我�！�)從2005年起借助于大學(xué)計劃，和美國Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、華大電子等公司合作建立了EDA實(shí)驗室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設計系統等EDA軟件。我校相繼開(kāi)設了與集成電路設計密切相關(guān)的本科課程，如集成電路設計基礎、模擬集成電路設計、集成電路版圖設計與驗證、超大規模集成電路設計、ASIC設計方法、硬件描述語(yǔ)言等。同時(shí)對課程體系進(jìn)行了修訂，注意相關(guān)課程之間相互銜接，關(guān)鍵內容不遺漏，突出集成電路設計能力的培養，通過(guò)對課程內容的精選、重組和充實(shí)，結合實(shí)驗教學(xué)環(huán)節的開(kāi)展，構成了系統的集成電路設計教學(xué)過(guò)程。[5，6]
集成電路設計從實(shí)現方法上可以分為三種：全定制(full custom)、半定制(Semi-custom)和基于FPGA/CPLD可編程器件設計。全定制集成電路設計，特別是其后端的版圖設計，涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計算機圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎理論，這是微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養重點(diǎn)方向，目的是給本科專(zhuān)業(yè)學(xué)生打下堅實(shí)的設計理論基礎。
在集成電路版圖設計的教學(xué)中，采用的是中電華大電子設計公司設計開(kāi)發(fā)的九天EDA軟件系統(Zeni EDA System)，這是中國唯一的具有自主知識產(chǎn)權的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統兼容，支持百萬(wàn)門(mén)級的集成電路設計規模，可進(jìn)行國際通用的標準數據格式轉換，它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經(jīng)與國際產(chǎn)品相當甚至更優(yōu)，已經(jīng)在商業(yè)化的集成電路設計公司以及東南大學(xué)等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發(fā)揮了強大的功能，并成功開(kāi)發(fā)出了許多實(shí)用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統包括ZeniDM(Design Management)設計管理器，ZeniSE(Schematic Editor)原理圖編輯器，ZeniPDT(physical design tool)版圖編輯工具，ZeniVERI(Physical Design Verification Tools)版圖驗證工具，ZeniHDRC(Hierarchical Design Rules Check)層次版圖設計規則檢查工具，ZeniPE(Parasitic Parameter Extraction)寄生參數提取工具，ZeniSI(Signal Integrity)信號完整性分析工具等幾個(gè)主要模塊，實(shí)現了從集成電路電路原理圖到版圖的整個(gè)設計流程。
二、集成電路版圖設計的教學(xué)目標
根據培養目標結合九天EDA軟件的功能特點(diǎn)，在本科生三年級下半學(xué)期開(kāi)設了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設計課程。
在集成電路版圖設計的教學(xué)中，首先對集成電路設計的一些相關(guān)知識進(jìn)行回顧，介紹版圖設計的基礎知識，如集成電路設計流程，CMOS基本工藝過(guò)程，版圖的基本概念，版圖的相關(guān)物理知識及物理結構，版圖設計的基本流程，版圖的總體設計，布局規劃以及標準單元的版圖設計等。然后結合上機實(shí)驗，講解Unix和Linux操作系統的常用命令，詳細闡述基于標準單元庫的版圖設計流程，指導學(xué)生使用ZeniSE繪制電路原理圖，使用ZeniPDT進(jìn)行NMOS/PMOS以及反相器的簡(jiǎn)單版圖設計。在此基礎上，讓學(xué)生自主選擇一些較為復雜的單元電路進(jìn)行設計，如數據選擇器、MOS 差分放大器電路、二四譯碼器、基本RS觸發(fā)器、六管MOS 靜態(tài)存儲單元等，使學(xué)生能深入理解集成電路版圖設計的概念原理和設計方法。最后介紹版圖驗證的基本思想及實(shí)現，包括設計規則的檢查(DRC)，電路參數的檢查(ERC)，網(wǎng)表一致性檢查(LVS)，指導學(xué)生使用ZeniVERI等工具進(jìn)行版圖驗證、查錯和修改。[7]
集成電路版圖設計的教學(xué)目標是： 第一，熟練掌握華大EDA軟件的原理圖編輯器ZeniSE、版圖編輯模塊ZeniPDT以及版圖驗證模塊ZeniVERI等工具的使用;了解工藝庫的概念以及工藝庫文件_technology的設置，能識別基本單元的版圖，根據版圖信息初步提取出相應的邏輯圖并修改，利用EDA工具ZSE畫(huà)出電路圖并說(shuō)明其功能，能夠根據版圖提取單元電路的原理圖。
第二，能夠基本讀懂和理解版圖設計規則文件的含義。版圖設計規則規定了集成電路生產(chǎn)中可以接受的幾何尺寸要求和可以達到的電學(xué)性能，這些規則是電路設計師和工藝工程師之間的一種互相制約的聯(lián)系手段，版圖設計規則的目的是使集成電路設計規范化，并在取得最佳成品率和確保電路可靠性的前提下利用這些規則使版圖面積盡可能做到最小。
第三，能夠編寫(xiě)設計版圖驗證命令文件(command file)。版圖驗證需要四個(gè)文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)來(lái)支持，要求學(xué)生能夠利用ZeniVERI進(jìn)行設計規則檢查DRC驗證并修改版圖、電學(xué)規則檢查(ERC)、版圖網(wǎng)表提取(NE)、利用LDC工具進(jìn)行LVS驗證，利用LDX工具進(jìn)行LVS的查錯及修改等。
第四，了解版圖庫的概念。采用半定制標準單元方式設計版圖，需要有統一高度的基本電路單元版圖的版圖庫來(lái)支持，這些基本單元可以是不同類(lèi)型的各種門(mén)電路，也可以是觸發(fā)器、全加器、寄存器等功能電路，因此，理解并學(xué)會(huì )版圖庫的建立也是版圖設計教學(xué)的一個(gè)重要內容。
三、CMOS反相器的版圖設計的教學(xué)實(shí)例介紹
下面以一個(gè)標準CMOS反相器來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下集成電路版圖設計的一般流程。
1.內容和要求
根據CMOS反相器的原理圖和剖面圖，初步確定其版圖;使用EDA工具PDT打開(kāi)版圖編輯器;在版圖編輯器上依次畫(huà)出P管和N管的有源區、多晶硅及接觸孔等;完成必要的連線(xiàn)并標注輸入輸出端。
2.設計步驟
根據CMOS反相器的原理圖和剖面圖，在草稿紙上初步確定其版圖結構及構成;打開(kāi)終端，進(jìn)入pdt文件夾，鍵入pdt，進(jìn)入ZeniPDT版圖編輯器;讀懂版圖的層次定義的文件，確定不同層次顏色的對應，熟悉版圖編輯器各個(gè)命令及其快捷鍵的使用;在版圖編輯器上初步畫(huà)出反相器的P管和N管;檢查畫(huà)出的P管和N管的正確性，并作必要的修改，然后按照原理圖上的連接關(guān)系作相應的連線(xiàn)，最后檢查修改整個(gè)版圖。
3.版圖驗證
打開(kāi)終端，進(jìn)入zse文件夾，鍵入zse，進(jìn)入ZeniSE原理圖編輯器，正確畫(huà)出CMOS反相器的原理圖并導出其網(wǎng)表文件;調出版圖設計的設計規則文件，閱讀和理解其基本語(yǔ)句的含義，對其作相應的路徑和文件名的修改以滿(mǎn)足物理驗證的要求;打開(kāi)終端，進(jìn)入pdt文件夾，鍵入pdt，進(jìn)入ZeniPDT版圖編輯器，調出CMOS反相器的版圖，在線(xiàn)進(jìn)行DRC驗證并修改版圖;對網(wǎng)表一致性檢查文件進(jìn)行路徑和文件名的修改，利用LDC工具進(jìn)行LVS驗證;如果LVS驗證有錯，則需要調用LDX工具，對版圖上的錯誤進(jìn)行修改。
4.設計提示
要很好的理解版圖設計的過(guò)程和意義，應對MOS結構有一個(gè)深刻的認識;需要對器件做襯底接觸，版圖實(shí)現上襯底接觸直接做在電源線(xiàn)上;接觸孔的大小應該是一致的，在不違反設計規則的前提下，接觸孔應盡可能的多，金屬的寬度應盡可能寬;繪制圖形時(shí)可以多使用“復制”操作，這樣可以大大縮小工作量，且設計的圖形滿(mǎn)足要求并且精確;注意P管和N管有源區的大小，一般在版圖設計上，P管和N管大小之比是2：1;注意整個(gè)版圖的整體尺寸的合理分配，不要太大也不要太小;注意不同的層次之間應該保持一定的距離，層次本身的寬度的大小要適當，以滿(mǎn)足設計規則的要求。
四、基本MOS差分放大器版圖設計的設計實(shí)例介紹
在基本MOS差分放大器的版圖設計中，要求學(xué)生理解構成差分式輸入結構的原理和組成結構，畫(huà)出相應的電路原理圖，進(jìn)行ERC檢查，然后根據電路原理圖用PDT工具上繪制與之對應的版圖。當將基本的版圖繪制好之后，對版圖里的輸入、輸出端口以及電源線(xiàn)和地線(xiàn)進(jìn)行標注，然后利用幾何設計規則文件進(jìn)行在線(xiàn)DRC驗證，利用版圖與電路圖的網(wǎng)表文件進(jìn)行LVS檢查，修改其中的錯誤并優(yōu)化版圖，最后全部通過(guò)檢查，設計完成。MOS差分放大器的原理圖和版圖分別如圖1和圖2所示，版圖與電路圖的網(wǎng)表一致性檢查(LVS)如圖3所示。
五、結束語(yǔ)
集成電路版圖設計的教學(xué)環(huán)節使學(xué)生鞏固了集成電路設計方面的理論知識，提高了學(xué)生在集成電路設計過(guò)程中分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為今后的職業(yè)生涯和研究工作打下堅實(shí)的基礎。因此，在今后的教學(xué)改革工作中，除了要繼續提高教師的理論教學(xué)水平外，還必須高度重視以EDA工具和設計流程為核心的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節，努力把課堂教學(xué)和實(shí)際設計應用緊密結合在一起，培養學(xué)生的實(shí)際設計能力，開(kāi)闊學(xué)生的視野，在實(shí)驗項目和實(shí)驗內容上進(jìn)行新的探索和實(shí)踐。
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