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课程信息

《VLSI设计基础》课程教学大纲

 

VLSI设计基础》课程教学大纲

课程名称:VLSI设计基础

课程代码:MICR2008

英文名称:VLSI Design Foundation

课程性质:专业必修课

学分/学时:3.5/54

开课学期:5

 

适用专业: 微电子科学与工程、电子科学与技术

先修课程:数字系统与逻辑设计、半导体物理

后续课程:集成电路工艺、半导体器件

开课单位:4166.com

课程负责人:黄秋萍

大纲执笔人:黄秋萍

大纲审核人:X

一、课程性质和教学目标

 

课程性质VLSI设计基础课程是微电子、电子科学与技术等专业的一门专业基础课,是上述专业的必修课程,是集成电路工艺、集成电路测试、半导体器件等课程的前导课程。

 

教学目标:Purpose of education: First know what is integrated circuit.Understand the principle of transistor and layout design,know how to design CMOS logic gate, sequential machines .Understand switch logic and alternative gate, combinational logic network ,subsystem and floorplanning. After finished the course, can design basic circuits and layout. Because it is education of two kinds of language,know how to design IC,by the way catched special word,the ability of reading profession data has been improved.

教学目的:通过本课程的学习,使学生对集成电路设计有初步系统了解,重点掌握晶体管原理和版图设计、CMOS逻辑门设计、时序机设计;了解开关逻辑和交替门电路、组合逻辑网络、子系统设计和布局布线。通过本课程学习后,能设计基本电路及其版图。由于是双语教学,在掌握集成电路设计基本技能的同时,能熟知本专业的专用词汇,提高了阅读本专业英文资料的能力。

1、   掌握集成电路设计相关基础常识,具备对集成电路设计应用相关工程问题进行设计与分析的基本能力【1.4

2、   能运用数理和工程常识判断集成电路领域复杂工程问题中的关键环节和参数【2.2

 

二、课程目标与毕业要求的对应关系

 

毕业要求

指标点

课程目标

1、工程常识

1-4掌握集成电路设计相关基础常识,具备对集成电路设计应用相关工程问题进行设计与分析的基本能力

教学目标1

2、问题分析

2-2能运用数理和工程常识判断集成电路领域复杂工程问题中的关键环节和参数

教学目标2

3、设计/开发解决方案

3.2能利用专业常识,根据给定的设计指标,设计开发满足特定需求的集成电路并体现创新意识。

教学目标3

4、研究

4.2能基于专业理论,针对集成电路领域的工程问题,开展实验并对实验结果进行分析和说明,并通过信息综合得到合理有效的结论

教学目标4

 

三、课程教学内容及学时分配(重点内容:??;难点内容:D?

1、    Digital Systems and VLSI 1(数字系统和VLSI(4学时) (支撑课程目标1)

1.1      Why Design Integrated Circuits?  1(为什么设计集成电路?)

1.2      Integrated Circuits manufacturing  3 (集成电路制造)

1.3      Technology  3(技术)

1.3.1                 Economics  6(成本)

1.4      CMOS Technology 15(CMOS技术)

1.4.1                 MOS Circuit Techniques  15(MOS电路技术)

1.4.2                 Power Consumption  16(功耗)

1.4.3                 Design and Testability  17(设计和测试)

1.5      Integrated Circuits Design Techniques 18(集成电路设计技术)

1.5.1                 Hierarchical Design 19(层次化设计)

1.5.2                 Design Abstraction 22(设计抽象)

1.5.3                 Computer-Aided Design 28(计算机辅助设计)

1.6      A Look into the Future 30(展望)

1.7      Summary 31(小结)

 

目标及要求:

1)   通过本章的先容,使得学生了解课程的学习要求,课程的性质和主要内容。

2)   了解集成电路的发展历史

3)   掌握CMOS技术和集成电路设计技术。

作业内容:

1)   逻辑图设计。

2)   层次化设计。

讨论内容:

1)   CMOS技术的优势?

2)   在设计集成电路时该采用何种设计方法?

自学拓展:

1)   人和电脑如何在集成电路设计中各司其职?

2)   了解各类集成电路的最新进展?

 

 

2             Transistors and Layout  33(晶体管和版图) (8学时) (支撑课程目标1)

2.1      Introduction 33(引言)

2.2      Fabrication Processes 34(制造流程)

2.2.1                 Overview 34(概述)

2.2.2                 Fabrication Steps 36(制造步骤)

2.3      Transistors 39(晶体管)

2.3.1                 Structure of the Transistor 39(晶体管的结构)

2.3.2                 A simple Transistor Model 44(晶体管的简单模型)

2.3.3                 Transistor Parasitics 47(晶体管的寄生效应)

2.3.4                 Tub Ties and Latchup 48(阱接触和Latchup(闸流、自锁或锁定效应))

2.3.5                 Advanced Transistor Characteristics 52(先进的晶体管特性)

2.3.6                 Advanced Transistor Structures 60(先进的晶体管结构)

2.3.7                 Spice Models 61(Spice 模型)

2.4      Wires and Vias 63(连线和接触孔)

2.4.1                 Wire Parasitics 65(连线的寄生效应)

2.5      Design Rules 71(设计规则)

2.5.1                 Fabrication Errors 72(制造误差)

2.5.2                 Scalable Design Rules 74(可升级的设计规则)

2.5.3                 SCMOS Design Rules 75(SCMOS设计规则)

2.5.4                 Typical Process Parameters 79(典型流程参数)

2.6      Layout Design and Tools 81(版图设计和工具)

2.6.1                 Layouts for Circuit 81(电路到版图)

2.6.2                 Stick Diagrams 84(线图)

2.6.3                 Hierarchical Stick Diagrams 86(分层次线图)

2.6.4                 Layout Design and  Analysis Tools 91(版图设计和分析工具)

2.6.5                 Automatic Layout 95(自动生成版图)

目标及要求:

1)   通过本章的先容,使得学生了解晶体管的工作原理

2)   设计规则制定的原则和依据。

作业内容:

1)   画切面图,了解工艺的先后次序。

2)   宽长比和电流的关系。

3)   管子寄生电阻和电容的计算。

讨论内容:

1)   晶体管的简单模型和复杂模型的区别?

2)   如何应用版图设计规则设计版图?

自学拓展:

1)   最小沟道长度?

2)   目前业界最新工艺流程?

 

3             Logic Gates 107(逻辑门) (10学时) (支撑课程目标1)

3.1      Introduction 107(引言)

3.2      Combinational Logic Function 107(组合逻辑函数)

3.3      Static Complementary Gates 110(静态互补门)

3.3.1                 Gate Structures 110(门结构)

3.3.2                 Basic Gate Layouts 115(基本门版图)

3.3.3                 Logic Levels 119(逻辑级)

3.3.4                 Delay 121(延迟)

3.3.5                 Power Consumption 129(功耗)

3.3.6                 The Speed-Power Product 133(速度功耗积)

3.3.7                 Layout and Parasitics 133(版图和寄生效应)

3.3.8                 Driving Large Loads 137(驱动大负载)

3.4      Wires and Delay 138(线和延迟)

3.4.1                 Elmore Delay Model 138(Elmore 延迟模型)

3.4.2                 Wires Sizing 139(线宽度)

3.4.3                 RC Trees 141(RC 树)

3.5      Switch Logic 143(开关逻辑)

3.6      Alternative Gate Circuits 145(交替门电路)

3.6.1                 Pseudo-nMos Logic 146(伪nMOS 逻辑)

3.6.2                 DCVS Logic 149(DCVS逻辑)

3.6.3                 Domino Logic 150(Domino 逻辑)

目标及要求:

1)   掌握门及门的各种实现方式。

2)   掌握各种门的电路,线图,版图设计。

作业内容:

1)   各种门的电路,线图,版图设计。

2)   比较各种实现方式之间的优缺点。

讨论内容:

1)   异或门的各种实现之间的差别?

自学拓展:

1)   各种实现的具体应用?

4             Combinational Logic Networks 161(组合逻辑网络)(8学时) (支撑课程目标1)

4.1       Introduction 161(引言)

4.2       Layout Design Methords 161(版图设计方法)

4.2.1                 Single-Row Layout Design 162(单行版图设计)

4.2.2                 Standard cell Layout Design 171(标准单元版图设计)

4.3       Simulation 174(仿真)

4.4       Combinational Network Delay 177(组合网络延迟)

4.4.1                 Fanout 178(扇出)

4.4.2                 Path Delay 180(路经延迟)

4.4.3                 Transistor Sizing 184(晶体管尺寸)

4.4.4                 Automated Logic Optimization 188(自动逻辑优化)

4.5       Crosstalk 189(串扰)

4.6       Power  Optimization 195(功耗优化)

4.7       Switch Logic Networks 199(开关逻辑网络)

4.8       Combinational Logic Testing 203(组合逻辑测试)

4.8.1                 Gate Testing 205(门测试)

4.8.2                 Combinational Network Testing 208(组合网络测试)

目标及要求:

1)   通过本章的先容,使得学生了解组合逻辑的设计

2)   标准单元的基本版图。

作业内容:

1)   布局布线方法。

2)   组合逻辑故障测试。

讨论内容:

1)   如何布线串扰最小?

2)   测试的故障覆盖率高低和哪些因数有关?

自学拓展:

1)   业界应用最广的布局布线工具?

2)   怎样可以布出最小面积的版图?

 

5             Sequential Machines 215(时序机)(8学时) (支撑课程目标23)

5.1       Introduction 215(引言)

5.2       Latches and Flip-Flops 215(锁存器和触发器)

5.2.1                 Categories of Memory Elements 215(存储单元的种类)

5.2.2                 Latches 217(锁存器)

5.2.3                 Flip-Flops 224(触发器)

5.3       Sequential Systems and Clocking Disciplines 226(时序系统和时钟控制)

5.3.1                 One-Phase Systems for Flip-Flops 229(单相时钟触发器)

5.3.2                 Two-Phase Systems for Latches 229(两相时钟锁存器)

5.3.3                 Advanced Clocking Analysis 239(先进的时钟分析)

5.3.4                 Clock Generation 246(时钟产生)

5.4      Sequential System Design 247(时序系统设计)

5.4.1                 Structural Specification of Sequential Machines 247(时序机的结构说明)

5.4.2                 State Transition Graphs and Tables 249(状态转换图和表)

5.4.3                 State Assignment 258(状态分配)

5.5       Power  Optimization 264(功耗优化)

5.6       Design Validation 265(设计验证)

5.7       Sequential Testing 267(时序测试)

目标及要求:

1)   掌握时序单元锁存器和触发器的设计。

2)   掌握时序系统的设计方法。

作业内容:

1)   设计锁存器和触发器。

2)   画时序图。

讨论内容:

1)   先进的时钟分析法?

2)   如何产生时钟?

自学拓展:

1)   如何产生精准时钟信号?

2)   芯片时序控制方法?

 

 

6             Subsystem Design 277(子系统设计)(8学时) (支撑课程目标24)

6.1       Introduction 227(引言)

6.2       Subsystem Design Principles 279(子系统设计原理)

6.2.1                 Pipelining 279(流水线)

6.2.2                 Data Paths 281(数据路径)

6.3      Combinational Shifters 285(组合移位器)

6.4       Adders 287(加法器)

6.5       ALUs 296(运算器)

6.6       Multipliers 297(乘法器)

6.7       High-Density Memory 306(高密度存储器)

6.7.1                 ROM 308(只读存储器)

6.7.2                 Static RAM 309(静态RAM

6.7.3                 The Three-Transistor Dynamic Ram 313(三个晶体管构建的动态RAM

6.7.4                 The One- Transistor Dynamic Ram 314(一个晶体管的动态RAM

6.8       Field-Programmable Gate Arrays 318(现场可编程门阵列)

6.9      Programmable Logic  Arrays 318(可编程逻辑阵列)

 

目标及要求:

1)   掌握子系统的设计方法

2)   掌握高密度存储器设计方法。

作业内容:

1)   ALU设计。

2)   ROM设计。

讨论内容:

1)   常用的ROM结构?

2)   布斯乘法器和一般乘法器的不同点?

自学拓展:

1)   一般数字系统有哪些功能模块组成?

2)   如何设计这些功能模块?

 

 

 

7             Floorplanning 325(布图规划)(8学时) (支撑课程目标23)

7.1       Introduction 325(引言)

7.2       Floorplanning Methords 325(布图规划方法)

7.2.1                 Block Placement and Channel Definition 329(模块的放置和通道的定义)

7.2.2                 Global Routing 334(全局布线)

7.2.3                 Switchbox Routing 336(开关盒布线)

7.2.4                 Power Distribution 337(电源线分布)

7.2.5                 Clock  Distribution 340(时钟分布)

7.2.6                 Floorplanning Tips 345(布图规划技巧)

7.2.7                 Design Validation 346(设计验证)

7.3       Off-Chip Connection 347(芯片外围连接)

7.3.1                 Package 347(封装)

7.3.2                 The I/O Architecture 351(输入/输出 结构)

7.3.3                 Pad Design 352(压点设计)

目标及要求:

1)   掌握CMOS如何避免被ESD的方法。

2)   了解布局布线的流程。

作业内容:

1)   ESD电路版图设计。

2)   三态输入/输出口的设计。

讨论内容:

1)   ESD产生原因?

2)   ESD瞬间高压值?

自学拓展:

1)   目前业界防ESD方法?

2)   在纳米时代防ESD技术有何不同?

 

四、教学方法

 

1、   在课堂教学中,阐述集成电路的基本原理和设计方法,理论联系实际,培养学生的理解能力、和创新能力;

2、   采用传统教学方式与多媒体课件相结合进行教学;充分利用学校的课程录播视频和课程中心网站资源辅助教学。

3、   采用过程化考试,分三个阶段进行。使学生在各个阶段打下扎实的基础,避免期末考试突击复习的现象。

4、   搜集《VLSI设计》相关内容在实际工程中的案例,案例由浅入深,结合课程中的相应常识点进行分析,培养学生对复杂工程问题的应用能力。

案例一:如何提高ESD保护电路的耐高压、耐大电流能力。

 

五、考核及成绩评定方式

 

考核方式:闭卷考试,平时作业。

成绩评定方式:平时10%;期中20%:实验20%:期末50%

 

教材及参考书目

  材:

《现代VLSI设计》,Wayne Wolf原著,杨华中 改编 高等教育出版社,20062月第1版。

参考书:

1. 《数字系统设计入门教程》-集成方法 John P. Uyemura 科学出版社

2. 《数字集成电路设计透视》JanM.Rabaey 清华大学出版社

3. VLSI 设计导论》沈绪榜 等 高等教学出版社

4. IC设计基础》任艳颖 编著 西安电子科技大学出版社

5. 《基于IP复用的数字IC设计技术》牛风举编著 电子工业出版社

6. VLSI 概论》谢永瑞 编著 清华大学出版社

7. 《集成电路设计与九天EDA工具应用》王志功,景为平 东南大学出版社

8. 《专用集成电路设计》孙肖子 等

9. VLSI设计》王志功编著 电子工业出版社

10. CMOS数字集成电路:分析与设计》Sung-Mo Kang著 电子工业出版社

11. VLSI设计基础》李伟华编著 电子工业出版社

12. MOS VLSI分析与设计》高保嘉 编著 电子工业出版社

 

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