VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)授課教師

單偉偉，副教授、博士生導(dǎo)師。2009年1月畢業(yè)于清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，獲工學(xué)博士學(xué)位。

黃見秋，東南大學(xué)副教授。2004年于東南大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2011年在東南大學(xué)獲博士學(xué)位并留校任教。

劉新寧，東南大學(xué)講師，主要從數(shù)字低功耗電路研究，有5年以上VLSI課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

楊軍，東南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。

2019年1月8日，該課程被中華人民共和國(guó)教育部認(rèn)定為“2018年國(guó)家精品在線開放課程”。

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)預(yù)備知識(shí)

學(xué)習(xí)VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)者需要具備一定的半導(dǎo)體原理和器件知識(shí)，必須具備一定的電路知識(shí)基礎(chǔ)。

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)資料

（注：表格內(nèi)容參考資料）

通過學(xué)習(xí)VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，了解VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)；掌握MOS器件的基本結(jié)構(gòu)、模型與特性，掌握基本的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的原理；了解半導(dǎo)體工藝基本過程；認(rèn)識(shí)集成電路的基本版圖；掌握集主要的成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，建立系統(tǒng)集成和系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的思想。具備開展集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法。

（注：課程大綱排版從左到右列）

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容為超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與基本方法，從CMOS集成電路的主流技術(shù)介紹入手引入VLSI設(shè)計(jì)主要技術(shù)基礎(chǔ)：CMOS器件基礎(chǔ)，組合邏輯電路，時(shí)序邏輯電路，存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和。主要內(nèi)容如下：第一章：VLSI設(shè)計(jì)概述，了解VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)。第二章：MOS晶體管原理：掌握MOS器件的基本結(jié)構(gòu)、模型與特性，了解集成電路制造工藝過程。第三章：反相器和組合邏輯電路，掌握CMOS反相器和組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)方法。第四章：時(shí)序邏輯電路和同步設(shè)計(jì)技術(shù)；第五章：設(shè)計(jì)與工藝接口，了解設(shè)計(jì)與工藝的關(guān)系及接口。第六章：?jiǎn)卧獛?kù)設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握標(biāo)準(zhǔn)單元和IO的設(shè)計(jì)，建立系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的思想；認(rèn)識(shí)集成電路的基本版圖。第七章：存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)。第八章：低功耗專題。

（表格內(nèi)容參考資料）

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程適合電子和計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生，也適合工作后需要重溫專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的工程師。

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程背景

集成電路（IntegratedCircuit）在人們的數(shù)字化生活中無處不在，是大部分電子產(chǎn)品運(yùn)行的核心，而其中大部分是超大規(guī)模集成電路（VLSI）。遵循著“摩爾定律”，其集成度、功能和性能的大幅度提升，創(chuàng)造了空前的奇跡。在此背景下，東南大學(xué)開設(shè)了VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，帶領(lǐng)學(xué)習(xí)者進(jìn)入到超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，了解其背后的原理。

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程定位

VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程課是微電子專業(yè)的主干課程，專注于超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。

本教材為“普通十一五國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材”，全書共有10章。第1~3章重點(diǎn)介紹了VLSI設(shè)計(jì)的大基礎(chǔ)，包括三個(gè)主要部分：信息接收、傳輸、處理體系結(jié)構(gòu)及與相關(guān)硬件的關(guān)系。第4~6章介紹了數(shù)字VLSI設(shè)計(jì)的技術(shù)與方法。第7章介紹了數(shù)字系統(tǒng)的測(cè)試問題和可測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)。第8章介紹了VLSI中的模擬單元和變換電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。第9章介紹了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)及其在系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵技術(shù)。第10章主要介紹了設(shè)計(jì)系統(tǒng)、HDL，對(duì)可制造性設(shè)計(jì)（DFM)的一些特殊問題進(jìn)行了討論。

第1章 VLSI設(shè)計(jì)概述

1.1 系統(tǒng)及系統(tǒng)集成

1.1.1 信息鏈

1.1.2 模塊與硬件

1.1.3 系統(tǒng)集成

1.2 VLSI設(shè)計(jì)方法與管理

1.2.1 設(shè)計(jì)層次與設(shè)計(jì)方法

1.2.2 復(fù)雜性管理

1.2.3 版圖設(shè)計(jì)理念

1.3 VLSI設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)與主流制造技術(shù)

1.4 新技術(shù)對(duì)VLSI的貢獻(xiàn)

1.5 設(shè)計(jì)問題與設(shè)計(jì)工具

1.6 一些術(shù)語與概念

1.7 本書主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)

練習(xí)與思考一

第2章 MOS器件與工藝基礎(chǔ)

2.1 MOS晶體管基礎(chǔ)

2.1.1 MOS晶體管結(jié)構(gòu)及基本工作原理

2.1.2 MOS晶體管的閾值電壓VT

2.1.3 MOS晶體管的電流—電壓方程

2.1.4 MOS器件的平方律轉(zhuǎn)移特性

2.1.5 MOS晶體管的跨導(dǎo)gm

2.1.6 MOS器件的直流導(dǎo)通電阻

2.1.7 MOS器件的交流電阻

2.1.8 MOS器件的最高工作頻率

2.1.9 MOS器件的襯底偏置效應(yīng)

2.1.10 CMOS結(jié)構(gòu)

2.2 CMOS邏輯部件

2.2.1 CMOS倒相器設(shè)計(jì)

2.2.2 CMOS與非門和或非門的結(jié)構(gòu)及其等效倒相器設(shè)計(jì)方法

2.2.3 其他CMOS邏輯門

2.2.4 D觸發(fā)器

2.2.5 內(nèi)部信號(hào)的分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.3 MOS集成電路工藝基礎(chǔ)

2.3.1 基本的集成電路加工工藝

2.3.2 CMOS工藝簡(jiǎn)化流程

2.3.3 Bi-CMOS工藝技術(shù)

2.4 版圖設(shè)計(jì)

2.4.1 簡(jiǎn)單MOSFET版圖

2.4.2 大尺寸MOSFET的版圖設(shè)計(jì)

2.4.3 失配與匹配設(shè)計(jì)

2.5 發(fā)展的MOS器件技術(shù)

2.5.1 物理效應(yīng)對(duì)器件特性的影響

2.5.2 材料技術(shù)

2.5.3 器件結(jié)構(gòu)

練習(xí)與思考二

第3章 設(shè)計(jì)與工藝接口

3.1 設(shè)計(jì)與工藝接口問題

3.1.1 基本問題——工藝線選擇

3.1.2 設(shè)計(jì)的困惑

3.1.3 設(shè)計(jì)與工藝接口

3.2 工藝抽象

3.2.1 工藝對(duì)設(shè)計(jì)的制約

3.2.2 工藝抽象

3.3 電學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)則

3.3.1 電學(xué)規(guī)則的一般描述

3.3.2 器件模型參數(shù)

3.3.3 模型參數(shù)的離散及仿真方法

3.4 幾何設(shè)計(jì)規(guī)則

3.4.1 幾何設(shè)計(jì)規(guī)則描述

3.4.2 一個(gè)版圖設(shè)計(jì)的例子

3.5 工藝檢查與監(jiān)控

3.5.1 PCM（Process Control Monitor）

3.5.2 測(cè)試圖形及參數(shù)測(cè)量

本章結(jié)束語

練習(xí)與思考三

第4章 晶體管規(guī)則陣列設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1 晶體管陣列及其邏輯設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1.1 全NMOS結(jié)構(gòu)ROM

4.1.2 ROM版圖

4.2 MOS晶體管開關(guān)邏輯

4.3 PLA及其拓展結(jié)構(gòu)

4.3.1 “與非—與非”陣列結(jié)構(gòu)

4.3.2 “或非—或非”陣列結(jié)構(gòu)

4.3.3 多級(jí)門陣列(MGA)

4.4 門陣列

4.4.1 門陣列單元

4.4.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.4.3 門陣列在VLSI設(shè)計(jì)中的應(yīng)用形式

4.5 晶體管規(guī)則陣列設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用示例

練習(xí)與思考四

第5章 單元庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)

第6章 微處理器

第7章 測(cè)試技術(shù)和可測(cè)試性設(shè)計(jì)

第8章 模擬單元與變換電路

第9章 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）

第10章 設(shè)計(jì)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)束語

參考文獻(xiàn)

總體布線是VLSI物理設(shè)計(jì)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。非曼哈頓結(jié)構(gòu)的提出為物理設(shè)計(jì)帶來諸多性能的提高，但該結(jié)構(gòu)的引入和多層工藝的普及，使得總體布線問題更為復(fù)雜，且目前研究工作只就某些局部目標(biāo)展開，缺乏一種該結(jié)構(gòu)下有效完整的總體布線方案。正是在這樣的背景下，本項(xiàng)目對(duì)非曼哈頓結(jié)構(gòu)VLSI總體布線相關(guān)問題展開一些研究工作，選取X結(jié)構(gòu)作為非曼哈頓結(jié)構(gòu)的代表，完成的主要工作如下：（1）基于多目標(biāo)PSO和Elmore時(shí)延模型提出了一種構(gòu)建時(shí)延驅(qū)動(dòng)X結(jié)構(gòu)Steiner樹的有效算法，從而有助于性能驅(qū)動(dòng)X結(jié)構(gòu)總體布線問題的研究。（2）繞障Steiner最小樹的構(gòu)建是VLSI物理設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要問題，為此，提出一種基于粒子群優(yōu)化的有效算法用于求解X結(jié)構(gòu)下的繞障Steiner最小樹問題?？紤]到粒子群優(yōu)化算法存在收斂速度慢的不足，進(jìn)一步設(shè)計(jì)一種四步驟的高效啟發(fā)式算法用于求解該問題。（3）針對(duì)ML-OAXSMT問題，以最小化布線總代價(jià)為目標(biāo)，并同時(shí)考慮到通孔數(shù)的優(yōu)化，提出了一種基于PSO算法和懲罰機(jī)制的ML-OAXSMT構(gòu)建算法。為了進(jìn)一步提高求解多ML-OAXSMT問題的算法質(zhì)量，基于查找表的思想，提出了一種高效的繞障策略，可以準(zhǔn)確獲得多層環(huán)境下的Steiner點(diǎn)位置，從而構(gòu)建一棵高質(zhì)量的ML-OAXSMT。(4) 針對(duì)X結(jié)構(gòu)下的總體布線問題，提出一種基于ILP模型、劃分策略及PSO等技術(shù)的高質(zhì)量X結(jié)構(gòu)總體布線算法。 本項(xiàng)目進(jìn)一步擴(kuò)寬研究思路，針對(duì)曼哈頓結(jié)構(gòu)下繞障Steiner樹構(gòu)建問題并且將PSO擴(kuò)展應(yīng)用于VLSI電路劃分階段，主要完成以下工作：（1）研究了電壓轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算模型和RSMT-RERR問題中的電壓轉(zhuǎn)換速率約束，基于SPCF算法框架提出考慮電壓轉(zhuǎn)換速率約束的直角Steiner樹構(gòu)造算法。（2）研究了ML-OARSMT問題的特征，提出了該問題布線圖的構(gòu)造方法。考慮避開障礙和連通相鄰層，選擇了三種類型候選通孔位置。 （3）電路劃分作為VLSI物理設(shè)計(jì)中的首個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過附加考慮時(shí)延因素，構(gòu)造了電路劃分的多目標(biāo)問題模型，引入局部搜索策略以及基于小生境技術(shù)的表現(xiàn)型共享粒子評(píng)價(jià)機(jī)制，設(shè)計(jì)了一個(gè)求解多目標(biāo)電路劃分問題的混合DPSO。 2100433B