数字芯片后端设计基础与实践-教学大纲

《数字芯片后端设计基础与实践》教学大纲课程编码：课程类别：专业核心课适用专业：xxxx技术 授课单位：微电子学院学分：3学时：56编写执笔人及编写日期：审定负责人及审定日期：1．课程定位和课程设计1.1课程性质与作用《数字芯片后端设计基础与实践》是高等职业教育集成电路技术应用专业数字芯片设计方向的必修课程，以培养微电子学生的数字芯片设计相关的职业岗位能力为目标，提升学生的数字芯片设计相关的工程设计实操能力。本课程总学时为56学时，先修课程有《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电路原理》、《半导体器件物理》、《数字系统设计》和《数字IC设计》。《数字芯片后端设计基础与实践》是xxxx专业的专业核心课程，是校企合作开发的基于工程过程的课程，采用行业流行的ICCompiler、DesignCompiler、PrimeTime等集成电路EDA设计软件为基础讲述数字集成电路设计流程中的后端设计，包括从晶体管级到芯片级的电路设计、标准单元库、可测试性设计、综合布局布线、寄生参数的提取、静态时序分析、验证及流片Tapeout等一系列的数字芯片后端设计项目中必要的知识和实践内容。通过本课程的学习，学生将了解集成电路设计中的后端设计全流程，掌握基于用户需求的数字芯片项目后端设计的基本方法，能完成输入门级网表到输出GDSII版图图形的后端设计再到芯片流片signoff的全过程。本课程对学生职业能力培养和职业素养养成起到重要的支撑和促进作用。1.2课程设计理念课程开发遵循就业导向的现代职业教育指导思想，以学生职业能力培养为重点，与行业企业合作进行基于工作过程的课程开发与设计。课程目标是数字集成电路设计的职业能力开发，课程教学内容的取舍和内容安排遵循能力本位，紧紧盯住行业、企业发展需要和完成职业岗位实际工作任务所需要的知识、能力、素质要求，选取教学内容，设计一系列生产设计场景，让学生在实战经验中获取专业知识，为学生的职业可持续发展奠定良好的基础。本实验课程具有很强的工程性，又有很强的理论性、系统性。实践性强，应用领域广泛，学生对实践项目的理解、掌握和完成程度取决于理论知识的储备、实验原理的预习、EDA工具的使用熟练度等多方面因素，全面体现了立体化的人才培养思想。1.3课程设计思路本课程设计是基于工作过程的课程设计，以一个完整的真实的企业大项目为案例，贯穿全课程，采用模块化的思想对教学内容进行有机划分，按照章节将知识点划分为一系列的最小知识单元，手把手的带领学生完整体验实际设计项目中所遇到的问题，课程针对数字芯片后端设计的应用需求，努力培养学生灵活敏捷的逻辑思维能力、严谨务实的工程设计能力、分析与解决问题能力以及面向实际应用的创新能力，着力加深学生对数字电路的整体性的理解，有效增强学生的数字芯片后端设计能力。课时安排则根据学生认知的特点和课程内容的难易以及改部分内容在实际设计项目中的所占比重和重要性进行安排，使学生能够实践操作与基础理论知识相互印证。课程目标2.1总体目标以创新型和应用型人才培养为教学目标，课程教学内容结合微电子产业、计算机硬件产业的发展现状和技术前沿，注重基础性、实用性和先进性。课程教学模式和资源建设以学生为中心设计教学活动并开发数字化学习资源，为学生提供全方位、立体化、多层次的教学。重点培养学生的工程实践能力和理论知识的应用能力。专业能力要求：通过本课程的学习应掌握数字芯片设计的基本步骤和方法，同时掌握工程项目分析问题、解决问题的基本能力，并具备一定的产品设计的创新能力和应用能力。基本技能要求：通过本课程学习，学生应掌握基本的电路原理解析能力、现代数字芯片设计中后端布局布线的方法、从逻辑网表到版图设计的转换，以及要实现芯片流片的必要的验证流程和方法，并能够使用业界主流的EDA设计软件ICCompiler进行芯片设计和验证。职业素质要求：通过本课程的学习，和小组成员之间的配合，基本具备工程设计中所需要的团队配合方面的职业素质，并掌握基本的工程语言、有效的沟通方法和技巧。2.2单项能力目标序号单项能力目标1能够基于对项目目标的理解设置基本的EDA设计环境的配置2能够选取合适的标准单元库并进行调用、设置参数，并在数字电路后端的设计项目中与其他电路形成有效的配合3能够理解并在实际设计项目中运用常见的数据接口、工艺库文件、网表以及约束文件4能够基于具体的项目需求进行逻辑综合5具备实际工程项目中复杂时序逻辑电路的分析能力和复杂环境下芯片的基本外围电路设计能力，能够根据项目需求制定DFT实现方案；6能够基于具体的项目需求进行形式验证7能够基于具体的项目需求合适的布置Macro、电源/地线网络、IO等资源8能够基于具体的项目需求进行标准单元布局（place）9能够基于具体的项目需求设置时钟树综合10能够基于具体的项目需求使用EDA软件自动布线11了解实际芯片设计项目中的业务流程，能够理解并提取ECO（工程修改单）中的信息，并熟练的使用工程语言与配合的团队形成有效的沟通和交付12具备基本的低功耗设计的思想，并运用常规的低功耗设计的方法进行电路的设计和优化13能够掌握复杂项目中RC参数提取的方法，并能够依据提取结果生成标准延迟文件（sdf）14能够基于具体的项目需求进行静态时序分析（STA），并能够依据分析结果进行电路的优化15具备基于主流EDA软件进行版图物理验证的能力，熟悉不同工艺库之间的区别，并掌握LVS与DRC等版图验证检查16了解芯片的SignOff工作流程，以及数字后端实现进行验收的必要指标，掌握编写项目报告的关键要素2.3知识目标序号知识目标1了解虚拟机的运行原理，会使用主流的EDA工具，并掌握其使用技巧和快捷功能2了解实际产品设计对外围电路的设计要求，以及常见的实现产品功能的接口电路3掌握标准单元库中的常用标准单元，理解其在整体电路中体现的作用4掌握面向工程设计的时钟树和时钟树综合5掌握面向工程设计的DFT的实现方法6掌握静态时序分析分析、功耗分析的基本方法7掌握面向工程设计的LVS与DRC等版图验证检查及结果分析的方法8掌握面向产品需求的电路布局布线的基本步骤和原理9掌握常用的基本工艺库，不同工艺库的区别及其在实际芯片设计中的影响10了解实际设计项目中关键节点过程中的不同侧重点11了解依据芯片项目需求，进行SignOff的流程，并能够掌握基本的关键验收的技术节点设计与结果分析的方法和步骤3．课程内容与要求3.1课程内容本课程的教学单元内容分为以下主要几个章节第一章

数字IC后端设计基础：依托实际芯片项目，介绍项目环境配置并解释其相关原理，扩展部分基础知识，包括基本电路的设计方法、标准单元库的介绍（包括：时序库、物理库、功耗库、噪声库）、以及与设计息息相关的CMOS工艺部分，作为项目开始前的准备阶段。第二章

逻辑综合：依据实际的芯片项目，介绍逻辑综合的基本概念及流程，并分析该项目中部分电路逻辑综合的原理，并进行一个逻辑综合实践。第三章

形式验证：依据实际的芯片设计项目中的形式验证工作，帮助学生理解并掌握形式验证的基本概念和作用、形式验证的实际应用并带领学生进行一个在真实的芯片设计环境下的形式验证案例实践。第四章

DFT：依托实际的芯片项目，介绍DFT可测试性设计的基本概念和方法，重点讲授扫描链（ScanChain）插入及ATPG、BIST、进行DFT电路生成实例的实践。第五章

布局布线：依托实际芯片设计项目，分析该项目中的数据准备、Floorplan设计、电源规划设计、Placement布局、时钟树生成、Routing布线、工程修改单（ECO）、层次化设计的基本原理，并进行一个布局布线实践。针对本科层次另外设计了关于ScanChainRe-order、Timing/Power/Congestion优化、层次化设计案例实践的内容。第六章

物理验证：依据实际的芯片设计案例，进行设计规则检查（DRC）、电学规则检查（ERC）、版图与电一致性检查（LVS）并分析其验证报告，同时，辅以一个物理验证的实践案例。第七章

RC参数提取：分析实际芯片项目中RC参数提取的输入输出、提取流程以及对该项目的RC参数的提取结果进行分析，并配合RC参数提取的案例实践。第八章

静态时序分析：依托实际的芯片项目，介绍该芯片设计项目中涉及到的静态时序分析的基本知识、和流程，展示该项目中的时序约束文件和报告并进行实例报告的解读，配合一个单独的静态时序分析案例实践帮助学生加深对于静态时序分析的理解和应用。针对本科层次设计了关于时序ECO修复的内容。第九章

仿真验证：首先介绍主流的仿真工具，再分别介绍功能仿真和时序仿真的流程，并针对SPI电路讲解时序仿真示例。第十章

芯片流片Tapeout：介绍芯片Signoff流程并依据实际芯片设计项目的背景，讲解实际芯片项目进行Signoff的技术节点设置及其原因。第十一章

项目实践：对前面课程所讲的企业项目进行整体的系统性的回顾，分析重难点，并结合实际项目经验进行项目管理、业务流程和设计技巧方面的分享，带领同学们独立完成一个实际的芯片设计项目模块、一个模数转换芯片/SoC芯片、以及一个JPEG图像编码器模块的实践，综合所学的理论知识，融会贯通。

3.2课时分配序号教学内容（按课题或章为单元）学时其中讲授实操其他1数字IC后端设计基础1102逻辑综合4313DFT4314形式验证4315布局布线10646RC参数提取3127静态时序分析4318物理验证3219仿真验证22010芯片流片Tapeout11011项目实践20317学时总计562828学时分配表

4．课程实施4.1教学条件授课教师在xxx技术专业从事专业教学x年，主持讲授数字集成电路后端设计等集成电路设计专业课程，具备课程相关设计经验和教学能力。Xxx学院EDA中心配置有多台高性能服务器，且已安装数字芯片后端设计基础与实践课程上机所需EDA软件，可供多个班级同时开展集成电路设计与仿真相关课程的EDA项目教学。4.2教学方法建议本课程主要采用通过项目案例教学的方法指导学生掌握各个应用知识点，并在涉及到该知识点的地方，根据学生层次结合实际项目工作经验，进行适当的理论知识的补充和扩展，最后通过一个完整的项目设计练习，让学生以小组合作的形式完成一个完整的工程项目，来加深学生的电路设计和验证实践能力。4.3教材编写本课程采用自编教材，教材的编写根据教学任务编写相应的教学内容，包含有重难点分析、基于项目的实践案例剖析、必要的理论知识扩展、课后理论习题和设计作品题目等构成。后续考虑公开自编出版教材。4.4教学组织建议教学组织是以企业芯片设计项目为主线，构造“课程体系项目化”、“教学内容模块化”、“教学方法一体化”的课程体系，整个课程以芯片的设计方法为主体，选取典型的、结合企业实际的逻辑综合的案例，进行教学素材的组织和课程项目内容设计。整个课程分主要11个单元模块，按学生的认知规律，按照先简单、后复杂；先测试、后设计分析；先子项目、后主项目的顺序进行编排。最后综合所有内容，整体总结整个项目中的重难点。在每个子项目完成的过程中嵌入知识的学习，以期达到最佳的效果。5．教学评价、考核要求5.1课程评价本课程采用过程评价与理论知识考试相结合，其中过程评价包括教学项目的完成状况，实际项目操作，学习态度等综合评价。学期教学评价=过程评价30%+知识评价20%+期末综合项目报告考评50%5.2考核要求《数字芯片后端设计基础与实践》课程的考核采用基于工程项目的过程考核的形式，总评成绩主要由平时成绩（主要来源于平时项目关键节点设计案例完成情况、回答课堂提问情况、学习出勤情况）和完整项目设计考查成绩（由教师评价和小组互评）组成。评定标准：总评成绩=出勤×5%+中期设计考察成绩×45%+完整项目设计考查成绩×50%。6．课程资源开发与利用学习资料资源：利用前期编写的校本教材，结合国内数字集成电路后端设计实践课程相关教材。参考书目：Synopsys公司的ICCompiler工具及其他相关工具的使用说明书、培训讲义及项目案例；《集成电路设计CAD/EDA工具实用教程》，韩雁编，机械工业出版社；《数字集成电路-设计透