EDA開放平臺與學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)

陳玉潔，林 皎，高志強

(清華大學1.微電子所，2.計算機系，北京 100084)

集成電路在70年代發(fā)展成為一門學科，并很快成為信息技術領域的核心內(nèi)容之一。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的復雜度和集成度越來越高，集成電路設計技術日益復雜，電子設計自動化EDA環(huán)境成為進行集成電路設計不可缺少的條件。EDA環(huán)境中包含計算機硬件、EDA軟件、集成電路設計資源、工藝資源以及測試環(huán)境等。

1 EDA平臺的建設

“清華信息科學與技術國家實驗室”是科技部于2003年批準籌建的第一批五個國家實驗室之一，作為國家實驗室的基礎設施平臺。EDA平臺本著全面開放、資源共享的理念，定位為我校集成電路設計領域教育與科研的網(wǎng)絡化公共平臺，提供EDA工具應用、設計資源、技術支持、人才培訓等服務，為學校從事電子系統(tǒng)和集成電路設計的教學和科研工作提供高效、可靠的EDA設計、驗證環(huán)境。該平臺支持電子科學與技術、電子信息工程、計算機科學與技術等學科的建設，幫助校內(nèi)其他學科開展集成電路設計相關的教學和研究工作。EDA平臺還重點支持“微電子學與固體電子學”和“電路與系統(tǒng)”兩個國家重點學科的教學和科研工作。

EDA平臺采用高性能服務器與高端的數(shù)據(jù)中心相結合，形成高吞吐量、高傳輸處理能力和高可靠性的環(huán)境，提供當前工業(yè)界廣泛使用的工藝模型、設計工具以及工業(yè)界常用的設計流程。本平臺擁有Synopsys、Cadence和Mentor Graphics等芯片設計行業(yè)主流的EDA設計工具，涵蓋了電子設計的整個流程，提供從系統(tǒng)級到版圖級的全套設計工具和驗證系統(tǒng)，包括系統(tǒng)級設計、功能驗證、IC綜合及布局布線、模擬、混合信號及射頻IC設計、全定制IC設計、物理驗證和硬件仿真建模等。平臺的教學機房可容納60 多人，并提供足夠的軟件許可證供使用［1，2］。服務器對校園網(wǎng)內(nèi)的遠程登陸全天候開放，用戶可以在任何時間、連接校園網(wǎng)的任何地點使用EDA資源，大大拓展了學生的實際上機機時。

平臺針對不同課程的需求，提供遠程登陸和機房集中上機兩種服務方式，對用戶采取不同安全級別的管理辦法，進行共享的管理和安全控制。對重要的數(shù)據(jù)增量備份，保證用戶的數(shù)據(jù)安全，對不同課程的用戶在服務器上分組管理，開放不同的權限。針對EDA工具種類多、更新快、專業(yè)性強的特點，我們建立了專業(yè)技術支撐體系、優(yōu)化的設計流程、共享單元庫和IP庫和相關技術資源庫，開展多項目芯片(MPW)服務。成為用戶和EDA公司、代加工廠之間的橋梁，為師生使用EDA資源提供技術支持和技術保障。

2 基于EDA平臺的實踐教學

2.1 基礎性實驗

本平臺提供了面向全體學生的基礎性實驗，針對數(shù)字集成電路與模擬集成電路涉及不同的理論基礎、電路原理、電路分析和設計技術的特點，設計不同的實驗內(nèi)容，提供不同的實驗環(huán)境和方案［3］。例如，作為微納電子學專業(yè)必修的“工藝與器件模擬實驗”課程，通過使用EDA平臺的MEDICI軟件對典型半導體器件如MOSFET的直流特性(轉移特性和輸出特性)進行模擬，讓學生熟悉器件模擬的基本原理和流程，并對MOSFET晶體管器件的原理與特性有一定的了解。通過使用TSUPREM4工藝模擬軟件對半導體集成電路制造過程中多項基本工藝步驟，如氧化、擴散以及離子注入等進行模擬，讓學生熟悉硅集成電路制造的工藝步驟，掌握一些集成電路工藝的基本原理。這類基礎驗證性的實驗難度較小，主要使學生獲得感性的認識和體驗，加深對理論知識的理解。

2.2 設計性實驗［4］

設計性實驗能夠增強學生的實際應用能力，提高他們分析問題和解決問題的能力。例如“數(shù)字集成電路分析與設計”課程，在讓學生掌握數(shù)字集成電路的工作原理與分析方法的基礎上，通過同步時序電路的分析和設計、數(shù)據(jù)通路運算單元的分析與設計等實驗，使學生掌握數(shù)字集成電路與系統(tǒng)的設計流程和基本方法，培養(yǎng)學生實際設計數(shù)字集成電路與系統(tǒng)的能力。“超大規(guī)模集成電路CAD”課程，采用16位5級流水線處理器作為設計對象，完成從仿真驗證到物理版圖的完整流程。學生通過這些實驗，可以全面了解數(shù)字電路設計過程中需要的幾種基本EDA工具的使用。

2.3 實踐型工程項目

為了培養(yǎng)學生的綜合工程設計能力，實踐類課程以大作業(yè)和課程設計等方式設計了多個實踐型工程項目。學生藉此可以了解集成電路設計的全過程和基本的電路設計技術。這些工程項目多數(shù)來源于實際的科研項目，能反映實際的工程需要。學生可通過完成這些工程項目，來提高解決實際工程項目的能力。

例如面向本科生的實踐課“集成電路課程設計”，要求設計一個10位循環(huán)式模數(shù)轉換器。實驗從電路設計、電路仿真、版圖編輯、版圖驗證、寄生參數(shù)提取和后仿真，貫通完整的設計流程，整個實驗旨在加強學生的電路設計與分析能力。

面向研究生的實踐課“集成電路設計實踐”，平臺提供了上華0.6um DPDM CMOS工藝流片與測試環(huán)境。學生通過這門課程可以體驗到從前端設計、仿真、后端設計到流片和測試的集成電路設計的全過程:選定設計題目(可為SRAM，PLL，AD/DA等)，設計系統(tǒng)結構，設計電路，進行仿真分析，進行版圖設計和驗證，最后對加工好的實驗芯片進行測試和總結。

3 平臺在人才培養(yǎng)方面的作用

1)有利于提高實驗教學質(zhì)量

EDA平臺提供的豐富的設計資源可滿足不同層次實驗的需要，加深學生對所學知識的綜合理解與運用能力。切實做到理論聯(lián)系實際，增強分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學生的學習興趣。通過多層次全方位的訓練，對學生進行基本知識、綜合設計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有效地提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

2)有利于提高工程能力

基于平臺的各種資源，包括完整的設計流程工具和最新的工藝庫，為學生提供自主設計芯片甚至流片的機會。學生通過課程設計、畢業(yè)設計、生產(chǎn)實習和研究生課題等教學環(huán)節(jié)，提高了工程設計和實踐能力，促進了課堂教學與工業(yè)界的接軌，使學生能接觸到相關學科發(fā)展的最前沿。

3)提升了研究創(chuàng)新能力

EDA平臺在保障校內(nèi)集成電路設計領域教學的同時，還支撐校內(nèi)相關的科研工作。由于本科畢業(yè)設計和研究生課題大都與導師的科研課題密切相關，因此，具有工程型或者研究型特點。

4 結語

EDA平臺每學年支持集成電路設計相關的實驗上機課程十余門，為學生提供進行基礎實驗、設計訓練和項目專題研究等教學實踐環(huán)節(jié)必備的環(huán)境，受益學生每學年達600～700多人次，表1列出近四年開展課程實驗的數(shù)據(jù)。以平臺為基礎的實踐教學的開展，培養(yǎng)了學生的工程設計和實踐能力，提升專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力，滿足了“寬口徑、創(chuàng)新型”的高素質(zhì)人才培養(yǎng)定位和學科發(fā)展的需要。

表1 近四年EDA平臺支持的課程實驗的數(shù)量

［1］ 陳玉潔，高志強，胡苑.EDA平臺的構建實現(xiàn)［J］.北京:實驗技術與管理，2010(6):102-104

［2］ 毛劍波，易茂祥，王墨林.EDA實驗室網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與管理［J］.北京:實驗技術與管理，2005，22(9):57-59

［3］ 高圣偉，劉雪莉，羅菁.加強EDA實踐教學初探［J］.上海:實驗室研究與探索，2011，30(3):369-371

［4］ 陳莉平、任艷頻、秦儉等.多層次開展EDA實踐教學的探索［J］.北京:實驗技術與管理，2008，25(10):92-93，114