企業(yè)版圖設(shè)計(jì)教學(xué)與實(shí)踐

時(shí)間:2022-04-08 10:12:45

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企業(yè)版圖設(shè)計(jì)教學(xué)與實(shí)踐

一、企業(yè)對(duì)IC版圖設(shè)計(jì)的要求分析

集成電路設(shè)計(jì)公司在招聘版圖設(shè)計(jì)員工時(shí),除了對(duì)員工的個(gè)人素質(zhì)和英語(yǔ)的應(yīng)用能力等要求之外,大部分是考查專業(yè)應(yīng)用的能力。一般都會(huì)對(duì)新員工做以下要求:熟悉半導(dǎo)體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝;熟悉集成電路(數(shù)字、模擬)設(shè)計(jì),了解電路原理,設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn);熟悉Foundry廠提供的工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)則;掌握主流版圖設(shè)計(jì)和版圖驗(yàn)證相關(guān)EDA工具;完成手工版圖設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證[1,2]。另外,公司希望合格的版圖設(shè)計(jì)人員除了懂得IC設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí),還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關(guān)知識(shí)[3]。正因?yàn)槠湫枰莆盏闹R(shí)面廣,而國(guó)內(nèi)學(xué)校開設(shè)這方面專業(yè)比較晚,IC版圖設(shè)計(jì)工程師的人才缺口更為巨大,所以擁有一定工作經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師,就成為各設(shè)計(jì)公司和獵頭公司爭(zhēng)相角逐的人才[4,5]。

二、針對(duì)企業(yè)要求的版圖設(shè)計(jì)教學(xué)規(guī)劃

1.數(shù)字版圖設(shè)計(jì)。數(shù)字集成電路版圖設(shè)計(jì)是由自動(dòng)布局布線工具結(jié)合版圖驗(yàn)證工具實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)布局布線工具加載準(zhǔn)備好的由verilog程序經(jīng)過DC綜合后的網(wǎng)表文件與Foundry提供的數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù)文件和I/O的庫(kù)文件,它包括物理庫(kù)、時(shí)序庫(kù)、時(shí)序約束文件。在數(shù)字版圖設(shè)計(jì)時(shí),一是熟練使用自動(dòng)布局布線工具如Encounter、Astro等,鑒于很少有學(xué)校開設(shè)這門課程,可以推薦學(xué)生自學(xué)或是參加專業(yè)培訓(xùn)。二是數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù)的設(shè)計(jì),可以由Foundry廠提供,也可由公司自定制標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù),因此對(duì)于初學(xué)者而言設(shè)計(jì)好標(biāo)準(zhǔn)單元版圖使其符合行業(yè)規(guī)范至關(guān)重要。2.模擬版圖設(shè)計(jì)。在模擬集成電路設(shè)計(jì)中,無(wú)論是CMOS還是雙極型電路,主要目標(biāo)并不是芯片的尺寸,而是優(yōu)化電路的性能,匹配精度、速度和各種功能方面的問題。作為版圖設(shè)計(jì)者,更關(guān)心的是電路的性能,了解電壓和電流以及它們之間的相互關(guān)系,應(yīng)當(dāng)知道為什么差分對(duì)需要匹配,應(yīng)當(dāng)知道有關(guān)信號(hào)流、降低寄生參數(shù)、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎(chǔ)上去優(yōu)化尺寸的,面積在某種程度上說(shuō)仍然是一個(gè)問題,但不再是壓倒一切的問題。在模擬電路版圖設(shè)計(jì)中,性能比尺寸更重要。另外,模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)師作為前端電路設(shè)計(jì)師的助手,經(jīng)常需要與前端工程師交流,看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導(dǎo)線是否有大電流流過等,這就要求版圖設(shè)計(jì)師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。3.逆向版圖設(shè)計(jì)。集成電路逆向設(shè)計(jì)其實(shí)就是芯片反向設(shè)計(jì)。它是通過對(duì)芯片內(nèi)部電路的提取與分析、整理,實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片技術(shù)原理、設(shè)計(jì)思路、工藝制造、結(jié)構(gòu)機(jī)制等方面的深入洞悉。因此,對(duì)工藝了解的要求更高。反向設(shè)計(jì)流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗(yàn)證、電路調(diào)整、版圖提取整理、版圖繪制驗(yàn)證及后仿真等。設(shè)計(jì)公司對(duì)反向版圖設(shè)計(jì)的要求較高,版圖設(shè)計(jì)工作還涵蓋了電路提取與整理,這就要求版圖設(shè)計(jì)師不僅要深入了解工藝流程;而且還要熟悉模擬電路和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元電路工作原理。

三、教學(xué)實(shí)現(xiàn)

1.數(shù)字版圖。數(shù)字集成電路版圖在教學(xué)時(shí),一是掌握自動(dòng)布局布線工具的使用,還需要對(duì)UNIX或LINUX系統(tǒng)熟悉,尤其是一些常用的基本指令;二是數(shù)字邏輯單元版圖的設(shè)計(jì),目前數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)大都采用CMOS工藝,因此,必須深入學(xué)習(xí)CMOS工藝流程。在教學(xué)時(shí),可以做個(gè)形象的PPT,空間立體感要強(qiáng),使學(xué)生更容易理解CMOS工藝的層次、空間感。邏輯單元版圖具體教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)采用上機(jī)操作并配備投影儀,教師一邊講解電路和繪制版圖,一邊講解軟件的操作、設(shè)計(jì)規(guī)則、畫版圖步驟、注意事項(xiàng),學(xué)生跟著一步一步緊隨教師演示學(xué)習(xí)如何畫版圖,同時(shí)教師可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)速度,適時(shí)停下來(lái)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,若有錯(cuò)加以糾正。這樣,教師一個(gè)單元版圖講解完畢,學(xué)生亦完成一個(gè)單元版圖。亦步亦趨、步步跟隨,學(xué)生的注意力更容易集中,掌握速度更快。課堂講解完成后,安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)以鞏固所學(xué)。邏輯單元版圖教學(xué)內(nèi)容安排應(yīng)當(dāng)采用目前常用的單元,并具有代表性、擴(kuò)展性,使學(xué)生可以舉一反三,擴(kuò)展到整個(gè)單元庫(kù)。具體單元內(nèi)容安排如反相器、與非門/或非門、選擇器、異或門/同或門、D觸發(fā)器與SRAM等。在教授時(shí)一定要注意符合行業(yè)規(guī)范,比如單元的高度、寬度的確定要符合自動(dòng)布局布線的要求;單元版圖一定要最小化,如異或門與觸發(fā)器等常使用傳輸門實(shí)現(xiàn),繪制版圖時(shí)注意晶體管源漏區(qū)的合并;大尺寸晶體管的串并聯(lián)安排合理等。2.模擬版圖。模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)更注重電路的性能實(shí)現(xiàn),經(jīng)常需要與前端電路設(shè)計(jì)工程師交流。因此,版圖教學(xué)時(shí)教師須要求學(xué)生掌握模擬集成電路的基本原理,學(xué)生能識(shí)CMOS模擬電路,與前端電路工程師交流無(wú)障礙。同時(shí)也要求學(xué)生掌握工藝對(duì)模擬版圖的影響,熟練運(yùn)用模擬版圖的晶體管匹配、保護(hù)環(huán)、Dummy晶體管等關(guān)鍵技術(shù)。在教學(xué)方法上,依然采用數(shù)字集成電路版圖的教學(xué)過程,實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的同步。在內(nèi)容安排上,一是以運(yùn)算放大器為例,深入講解差分對(duì)管、電流鏡、電容的匹配機(jī)理,版圖匹配時(shí)結(jié)構(gòu)采用一維還是二維,具體是如何布局的,以及保護(hù)環(huán)與dummy管版圖繪制技術(shù)。二是以帶隙基準(zhǔn)電壓源為例,深入講解N阱CMOS工藝下雙極晶體管PNP與電阻匹配的版圖繪制技術(shù)。在教學(xué)時(shí)需注意晶體管與電阻并聯(lián)拆分的合理性、電阻與電容的類型與計(jì)算方法以及布線的規(guī)范性。3.逆向版圖設(shè)計(jì)。逆向集成電路版圖設(shè)計(jì)需要學(xué)生掌握數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的命名規(guī)范、所有標(biāo)準(zhǔn)單元電路結(jié)構(gòu)、常用模擬電路的結(jié)構(gòu)以及芯片的工藝,要求學(xué)生熟悉模擬和數(shù)字集成單元電路。這樣才可以在逆向提取電路與版圖時(shí),做到準(zhǔn)確無(wú)誤。教學(xué)方法同樣還是采用數(shù)字集成電路版圖教學(xué)流程,達(dá)到學(xué)以致用。教學(xué)內(nèi)容當(dāng)以一個(gè)既含數(shù)字電路又含模擬電路的芯片為例。為了提取數(shù)字單元電路,需講解foundry提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)里的單元電路與命名規(guī)范。在提取單元電路教學(xué)時(shí),說(shuō)明數(shù)字電路需要?dú)w并同類圖形,例如與非門、或非門、觸發(fā)器等,同樣的圖形不要分析多次。強(qiáng)調(diào)學(xué)生注意電路的共性、版圖布局與布線的規(guī)律性,做到熟能生巧。模擬電路的提取與版圖繪制教學(xué)要求學(xué)生掌握模擬集成電路常用電路結(jié)構(gòu)與工作原理,因?yàn)槟嫦蛟O(shè)計(jì)軟件提出的元器件符號(hào)應(yīng)該按照易于理解的電路整理,使其他人員也能看出你提取電路的功能,做到準(zhǔn)確通用規(guī)范性。集成電路版圖設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)面向企業(yè),按照企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)工程師的要求來(lái)安排教學(xué),做到教學(xué)與實(shí)踐的緊密結(jié)合。從教學(xué)開始就向?qū)W生灌輸IC行業(yè)知識(shí),定位準(zhǔn)確,學(xué)生明確自己應(yīng)該掌握哪些相關(guān)知識(shí)。本文從集成電路數(shù)字版圖、模擬版圖和逆向設(shè)計(jì)版圖這三個(gè)方面就如何開展教學(xué)可以滿足企業(yè)對(duì)版圖工程師的要求展開探討,安排教學(xué)有針對(duì)性。在教學(xué)方法與內(nèi)容上做了分析探討,力求讓學(xué)生在畢業(yè)后可以順利進(jìn)入IC行業(yè)做出努力。

作者:李亮工作單位:蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院