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“VLSI设计”课程实践教学模式探索

池雅庆陈海燕陈建军

［摘要］针对“VLSI设计”课程实践教学中存在关注设计流程、掌握相关EDA工具，但缺乏对先进电路版图设计技术应用和创新实践的问题，提出了基于课前熟悉流程工具、课堂开展归纳分析和课后作业改进创新三个层次的实践教学模式，并以晶体管设计实践课为例，阐述了三个层次的实践教学方法。采用该实践教学模式使学生在熟练掌握全定制物理设计流程的同时，培养了探索创新的思维和追求极致性能的信念，为进一步提高集成电路设计人才的培养质量提供了有益参考。

［关键词］VLSI设计；实践教学；全定制；物理设计

［基金项目］2020年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题“自主可控信息领域卓越某某领军人才的培养方案研究”（yjsj2020030）；2022年度国防科技大学教学成果立项培育项目“面向先进工艺全流程的超大规模集成电路专业课程建设”（jxcg2022187）

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）21-0140-04［收稿日期］2023-01-11

集成电路是信息产业的核心，孕育了大量的新兴产业，并为传统产业注入了新的动力，极大地提高了人们的劳动生产率。各国在集成电路领域的竞争十分激烈，尤其是高性能微处理器等高端集成电路产品，国内屡遭西方国家技术封锁，面临着严峻的“卡脖子”问题。而高端集成电路设计人才的匮乏，则是阻碍我国集成电路产业自立自强、突破封锁的关键问题之一，亟须大量基础理论扎实、工程实践能力强的高端集成电路设计和创新人才［1］。人力资源服务供应商前程无忧发布的《2021年Q1“芯力量”（集成电路半导体）市场供需报告》显示，中国的集成电路行业人才缺口巨大，2021年3月人才需求量占集成电路全行业总职位量的比例为5.5%，在行业中位列第四［2］。

我校高端集成电路设计人才培养主要依托计算机学院微电子与固体电子学研究生专业展开。学院长期从事超级计算机研制，在高性能微处理器设计领域处于国内领先水平，研制的飞腾系列微处理器在超级计算机及各类自主可控信息系统中得到了大量应用，相关科研工程实践为高端集成电路设计人才的培养提供了重要支撑［3］。

作为学院微电子与固体电子学研究生专业的核心课，VLSI（VeryLargeScaleIntegratedCircuit超大规模集成电路）设计承担了复杂数字集成电路，从电路设计直至版图设计的后端物理设计理论与方法的教学任务，培养了一大批能够熟练开展高性能数字集成电路物理设计的人才。VLSI设计教学包括理论教学和实践教学。理论教学分为基本单元、电路设计和系统设计三个模块，主要探讨复杂数字集成电路的设计方法，关注深亚微米以及纳米工艺下先进电路和版图的设计技术，并着重分析影响集成电路性能、功耗和面积的设计参数和优化途径。实践教学主要围绕全定制物理设计展开，从晶体管、导线到组合逻辑单元、时序逻辑单元，直至运算单元和存储器开展设计验证，自下向上全定制构建出完整的功能模块。这需要在有限的教学时间内使学生掌握全定制物理设计的基本流程，熟练运用EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）工具，并完成功能模块设计［4］。

不同于模拟集成电路设计领域的发展主要依靠电路和版图的不断创新而非半导体工艺的进步，数字集成电路领域的发展长期依赖于半导体工艺的持续进步。工艺进步带来的高性价比使后端物理设计更加聚焦于支持更為先进工艺的复杂物理设计流程，而对于创新电路和版图所获取高性价比的努力有所忽略。反映在“VLSI设计”课程上，尽管理论教学涉及了先进的电路版图设计及优化途径，但实践教学重点关注全定制物理设计流程和相关EDA工具的掌握，缺乏对先进电路版图设计技术的应用和思考［5］。随着某些西方国家对我国先进集成电路工艺封锁的不断加深，在今后相当长一段时间内集成电路工艺水平进步受阻的状态下，创新设计更加优秀的电路和版图是实现数字集成电路性能不断提升的必由之路。

为使“VLSI设计”课程的实践教学更加适应高端数字集成电路发展的现状，本文在VLSI设计实践教学中融入理论分析和创新思考，使学生在熟练掌握全定制物理设计流程的同时，树立追求极致性能的信念，为探索进一步提高集成电路物理设计人才培养质量的方法提供了参考。

一、实践教学模式设计

（一）实践教学模式整体设计

“VLSI设计”课程共54学时，其中理论课36学时，实践课18学时，每次课3学时。实践课包括6次课，分别是晶体管、导线、组合逻辑单元、时序逻辑单元、运算单元和存储器的设计与验证。在18学时的课内时间，对于完全熟悉各类单元的设计验证流程及相关EDA工具的使用已显不足，更遑论开展分析比较和改进创新［6］。

为了在一个学期内使学生具备