集成電路設計論文精選(九篇)

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第1篇：集成電路設計論文范文

（1）盡量遠離大型礦山，軍事工程等配套設施，以減少輸電線路建設的風險對當?shù)亟?jīng)濟和環(huán)境，同時避免不良地質(zhì)區(qū)，并盡量選擇靠近國道，省級的位置選擇在該路徑不僅可以改善交通的運行，也方便了項目的建設。

（2）對應設置傳輸線，傳輸線的設計應該設置成為具有高度對應項，使電廠按照詳細規(guī)劃和變電站的設計相一致的特定方案，限制區(qū)域要使用相同的塔架設回直立設施。

（3）要選擇合適的導線長度。兩個分站之間的線路長度是盡可能短，以避免電力功率的損耗。并且選擇材料上要注意材料本身的電阻值、密度、延展性等問題，避免由于導線材料選擇不當造成導線自重過大造成危險，也應該避免相應電阻值過大的導線材料造成導線發(fā)熱出現(xiàn)火災。

（4）根據(jù)高差和間距設置，以避免電線塔間距輸電線路選線過大，由于地面沉降，如過度的風偏的現(xiàn)象最終造成導線垂低等不良后果。

2輸電線路工程設計與施工的管理和控制要點

根據(jù)所處環(huán)境的不同，輸電線路的施工非常容易受到各種外界因素的影響和破壞，因而，發(fā)生事故的概率很大。另外，導線在外的特點要求導線與地面、建筑物等設施之間要有一定的安全距離，因此造成輸電線路占地空間和線路廊道的增大，從而對土地的利用情況產(chǎn)生影響。下面，本文從幾個方面介紹輸電線路工程設計與施工過程中的管理和控制要點：

2.1輸電線路導線的選擇

傳輸線導體的主要作用是傳導電流，傳送功率，這是該部分的主要部分。電源線被設置在所述塔，不僅需要承受導線本身的重量，而且還由雪，雨，陽光和溫度的影響，并因此，電線線路的選擇設置應該選用機械強度高電氣性能更好。許多類型的傳輸線導體，該ACSR最廣泛的應用，主要是由于該ACSR通常是由多股鋁導線絞合的形成引起的，是最好的導體的電流傳輸，鋼絲的內(nèi)部繩股，使強度提高該行也起到了非常重要的作用。在電力輸送網(wǎng)格系統(tǒng)中，電壓電平越高，傳輸容量，也能對外部環(huán)境的影響更加敏感。為了提高電力傳輸?shù)馁|(zhì)量和降低高頻通訊以及所選擇的電暈絲的干擾是非常重要的。在正常情況下，使用為確保引線組成的兩個或更多個高壓輸電線路，并根據(jù)傳輸容量、電流強度、供電密度、發(fā)熱的情況下、損失的最大金額去共同決定導線的橫截面的選擇電力和其他條件。有關符合導線質(zhì)量扭曲的機械張力，以滿足密封性要求和均勻性的金屬絲的表面內(nèi)的規(guī)定的購買請求應光滑，腐蝕斑點的條件和包含物不可以存在。

2.2輸電線路路徑的設計

1）圖上選線

圖上選線主要是指通過收集到的輸電線路周圍區(qū)域的航測圖、地形圖等信息，根據(jù)以往的經(jīng)驗，標識出其中的起點、終點和其他必經(jīng)的地點等位置，然后參考水文地質(zhì)、民航、交通氣象等相關資料，使線路路徑的選擇盡可能的避開較大的設施和其他影響區(qū)域，另外，考慮到不同地區(qū)的交通條件，要根據(jù)路徑最短的原則，規(guī)劃多個可實施方案，然后將這些方案進行經(jīng)濟和技術上的對比，進而選擇一個最優(yōu)的線路路徑方案。

2）現(xiàn)場選線

這一步驟的任務是將圖紙路線落實到實際現(xiàn)場中，并進行實地踏勘。該階段要求工作人員具有較強的毅力和耐性，因為一個線路可能需要進行多次的走訪和勘察才能最終確定。輸電線路的選擇要盡可能的避開地質(zhì)不良區(qū)域、果木林園、森林等地帶，同時還要檢查已經(jīng)存在的線路的覆冰情況，避免線路經(jīng)過嚴重覆冰的區(qū)域。最后，要對交通運輸?shù)谋憷赃M行充分考慮，以方便線路工程的施工和維護。

2.3輸電線路桿塔的設計施工

傳輸線塔是用來支持導線的設備，使之能不管在什么樣的天氣條件下，都能夠滿足的安全要求并確保電磁場的電絕緣性。傳輸線塔支撐結構，因此，塔架構造周期，運輸時間和成本，以及建設成本等占有相當大的部分。因此，要加強選擇和塔的施工隊伍設計的重點。著重注意設計的塔結構，成本，尺寸，等等。根據(jù)情況的內(nèi)容。線路初步設計時，應嚴格按照該設計過程中的成本估算的有關規(guī)定，利用塔模型盡可能之前已經(jīng)實施的，如果你需要使用新塔將不得不反復研究，計算和科學實驗，從而避免不必要的損失。

2.4輸電線路的其他內(nèi)容

首先，在輸電線路工程設計過程中，我們應遵循實事求是的原則。例如，輸電線的選擇方面，線應及時更新有關的技術;在施工設備上線的選擇，盡量使用節(jié)能，高科技材料的;在設計方面行路，他們必須利用已經(jīng)成熟的手段。要加強重點輸電線路路徑優(yōu)化程度，不斷學習新的技能，并使用這些技能輸電線路的設計和施工服務。其次，根據(jù)輸電線路的建設，要運用經(jīng)濟和先進的開挖基坑與人工挖孔樁基礎技術，可有效降低混凝土的用量，節(jié)約工程投資，減少開挖方量，減少水和土壤，破壞周圍的塔的基底部的植被。此外，使用根據(jù)實際情況作適當?shù)氖┕し椒ㄊ┕と藛T的要求，提高輸電線路基礎工程的質(zhì)量。最后，整個設計和建造輸電線路工程，加強對相關環(huán)節(jié)的管理。設計與施工輸電線路工程的重要組成部分，施工人員加強管理，包括工作人員和工程材料的管理，防止廢棄物胡亂丟棄現(xiàn)象的發(fā)生，而且還可以防止員工松弛狀況出現(xiàn)。

3結束語

第2篇：集成電路設計論文范文

關鍵詞:專用集成電路設計;創(chuàng)新;教學;探討

中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)04-0920-02

Discussing about How to Teach the "Design of Application-Specific Integrated Circuit" Course

WU Yu-hua

(Beijing Electronic Science and Technology Institute, Beijing 100070, China)

Abstract: "Design of Application-Specific Integrated Circuit" is an important specialty course. In this paper, we will discuss the teaching technique about this course of non-micro-electronics specialty. Combining the teaching practice, several teaching experiences about "Design of Application-Specific Integrated Circuit" course are summarized.

Key words: design of application-specific integrated circuit; innovate; teaching; discuss

《專用集成電路設計》是電氣信息類專業(yè)開設的一門比較重要的專業(yè)課。為了培養(yǎng)寬口徑、基礎扎實的集成電路設計人才,滿足IC行業(yè)對人才的大量需求,無論是在微電子專業(yè),還是在相關的其他電氣信息類專業(yè),不少重點高等院校都已經(jīng)開設了本門課程。在學生已經(jīng)掌握了模擬電子技術、數(shù)字電子技術和一定的晶體管原理知識的基礎上,通過學習《專用集成電路設計》課,進行ASIC設計理論的學習和實踐的強化,進一步掌握集成電路和電路系統(tǒng)的設計知識,提高集成電路設計能力,增長集成電路設計經(jīng)驗;通過理論教學和實踐教學,來加強電氣信息類專業(yè)學生的電路設計基礎、版圖設計基礎以及集成電路設計各環(huán)節(jié)的驗證知識等,培養(yǎng)學生在集成電路設計方面的研究興趣,為后續(xù)課程的學習和進一步的深造打好基礎。

由于專業(yè)建設和人才培養(yǎng)的需要,北京電子科技學院同樣開設了《專用集成電路設計》的專業(yè)選修課,授課對象是電子信息工程專業(yè)的本科生,由于非微電子的專業(yè)背景原因,他們并不具備足夠的半導體物理、晶體管原理等知識,因此在本課程的教學過程中,必然要針對具體對象,調(diào)整教學內(nèi)容,創(chuàng)新教學思路,加強教學研究,找到一種適合于非微電子專業(yè)本科生的教學思想和教學方法。通過教學實踐,學生對于課程組在這一課程中的創(chuàng)新、探索和具體的教學方法比較認可。這里把我們在《專用集成電路設計》課教學實踐中的初步探索做一些總結,希望與大家分享。

1 結合實際合理設置授課內(nèi)容,以學生能夠接受為目標

電子信息工程專業(yè)的學生在學習《專用集成電路設計》課程之前,已經(jīng)系統(tǒng)地學習了《電路分析》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》、《EDA技術》等有關電子技術和電路系統(tǒng)的課程,對于電路系統(tǒng)的設計已經(jīng)有了一定的理解,并進行過比較系統(tǒng)的動手實踐訓練,為進一步學習《專用集成電路設計》課程打下了比較堅實的知識基礎和實踐基礎。但是由于專業(yè)背景的原因,該專業(yè)不太可能只是為了《專用集成電路設計》課而專門開設《半導體物理》、《晶體管原理》等這些在微電子專業(yè)才有的課程,因此,與微電子專業(yè)相比,電子信息工程專業(yè)的本科生欠缺有關晶體管原理和半導體工藝等方面的必要知識。在設置授課內(nèi)容時,必然要考慮到這一點,總的原則應當是以學生能夠接受、但又不應該過于輕松接受為目標,而且要盡量避免與《EDA技術》等課程的知識重復。

根據(jù)我們的課程內(nèi)容設置原則,將《專用集成電路設計》課的講授內(nèi)容分為以下幾章:第一章:ASIC設計概述;第二章:CMOS邏輯;第三章:ASIC庫設計;第四章:ASIC的前端設計;第五章:ASIC的后端設計;第六章:可測性設計技術;第七章:SOC設計技術簡介。在各章的講授中,占用課時較多的分別是第二章、第三章和第五章。在講授時強調(diào)培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設計能力,使學生對專用集成電路的設計、制造、測試等一整套流程有一般性、整體性的了解,建立專用集成電路的基本概念和方法,了解IC領域的最新發(fā)展趨勢,激發(fā)學生潛在的對集成電路前、后端設計的興趣。為了配合理論教學,提升教學效果,還設置了合適的實驗教學內(nèi)容。

2 注重實驗教學效果,以培養(yǎng)動手實踐能力為目標

集成電路設計類課程除了理論教學以外,實驗教學尤為重要,因為這類課程對學生的訓練重點正是在于動手實驗,提前接觸到未來在進一步的研究和工作中可能會應用到的一些軟件工具、設計流程以及設計技巧等,這樣才能促進學生理論與實踐相結合,真正幫助學生掌握ASIC設計技術。因此本課程要更加注重實驗教學效果,著力培養(yǎng)學生的動手實踐能力,進而使學生能夠更加準確、具體和形象地掌握在課堂上學到的理論知識。根據(jù)這一原則,經(jīng)過試用修訂,我們專門編印了《專用集成電路設計實驗指導書》,根據(jù)大綱的變化,使用工具版本的提高,目前已經(jīng)編印了2007版和2009版的實驗指導書,共設計了五個實驗,具體是:實驗一:IC設計工具的使用;實驗二:單元電路的前端設計;實驗三:標準單元的版圖繪制與驗證;實驗四:四位加法器和減法器ASIC的設計;實驗五:計數(shù)器ASIC的設計。每個實驗3學時,其中實驗二、實驗四和實驗五為綜合性、設計性實驗。

選用一種合適的集成電路設計工具是順利進行實踐教學的關鍵。我們選用了美國Tanner Research公司開發(fā)的一種優(yōu)秀集成電路設計工具――Tanner Tools Pro,它雖然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具強大,但它的最大優(yōu)點是成本低,可以在PC機上使用,而且圖形處理速度快,編輯功能強,便于學習,使用方便,特別適用于高校進行相關的教學和科研工作。Tanner Pro工具在美國和臺灣的很多大學中早已被廣泛應用,臺灣不少IC設計企業(yè)也在使用Tanner Pro工具。該工具較新版本為Tanner Tools Pro 13.0,主要包含了S-EDIT(原理圖編輯)、L-EDIT(版圖編輯)、T-SPICE(電路仿真)、W-EDIT(波形觀察)和LVS(版圖與原理圖比對)等幾個功能不同的子工具,滿足了集成電路設計從前端到后端、設計驗證的一系列過程的需要,完全可以適用于《專用集成電路設計》課程的實踐教學。通過我們在課程實驗、畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)的使用,發(fā)現(xiàn)學生對這個工具上手快、掌握熟,對于以后使用其他的IC設計工具也有一定的幫助,而且培養(yǎng)了他們將來涉足IC設計領域的興趣和信心。圖1是學生在實踐教學中得到的一個版圖設計結果。

3 適當講授最新技術進展,以讓學生跟上行業(yè)發(fā)展腳步為目標

我們都知道,集成電路設計技術、制造工藝等的發(fā)展速度飛快,遵循著集成電路最小特征尺寸以每三年減小70%的速度下降、集成度每年翻一番和價格每兩年下降一半的著名的摩爾定律,集成電路的設計和制造技術發(fā)展日新月異。因此,在《專用集成電路設計》的教學過程中,必須要根據(jù)教學大綱的要求,在系統(tǒng)講授已經(jīng)設置好的教學內(nèi)容的前提下,結合具體授課內(nèi)容,適當講授最新技術進展,以期讓學生跟上集成電路設計行業(yè)發(fā)展的腳步,并不斷將這些新技術、新進展、新方法、新工具、新工藝融入到授課內(nèi)容中,做到授課內(nèi)容常講常新。其實這除了讓學生可以接受到最新的知識和了解到該領域最新進展之外,同時也是一個教學相長的過程,對于教師的教學和相關科研也是一種無形的促進,可以督促教師不斷地跟蹤與IC設計、制造相關的最新研究成果,并進行精心的組織,將這些成果有機融入到課程教學中,做到授課內(nèi)容的不斷更新,而且這樣也才能夠避免一份講稿多年重復使用,保證教師在教學中的激情,增強教學效果。

在這里僅僅舉一個具體例子。在一次講授到集成電路工藝的內(nèi)容時,作者為同學們講授了不斷發(fā)展的集成電路工藝水平,以及所遇到的工藝發(fā)展瓶頸對于摩爾定律的挑戰(zhàn),還具體講到了Intel公司新推出的0.45nm工藝的CPU,它采用了大大不同于以往的工藝方法,這次工藝變革可以稱得上是“拯救摩爾定律”的一大技術進展。本次課后,不少同學紛紛通過互聯(lián)網(wǎng)等來查閱這一最新工藝的具體情形,表現(xiàn)出了濃厚的學習興趣。

4 創(chuàng)新課程考查方式,以激發(fā)學生進一步的研究興趣為目標

一門課程的考查方式如何,對于這門課程能不能按照教師的預想,達到既定的最終教學目的,有著比較重要的作用。傳統(tǒng)的一張試卷去“考”出學生學習效果的方式雖然比較簡單省事,但卻過于單調(diào),雖然從某種程度上能夠考查出學生對這門課程知識的掌握程度,但是對于激發(fā)學生在學完這門課程之后,對本學科、本領域進行進一步研究的興趣卻作用不大。由于自從接受學校教育以來經(jīng)歷了無數(shù)次的考試,不少學生厭煩考試的情緒比較嚴重,恨不得考完后把教材、作業(yè)、筆記等都馬上丟棄,這是現(xiàn)實存在的、我們必須得承認的事實。從某種意義上說,通過考試來考查學生的學習,有時對最終教學目標的實現(xiàn)會起到一定的反作用。而且單純考試的方式也很難發(fā)現(xiàn)學生對于這門課、這個領域、這個行業(yè)的獨特想法和創(chuàng)新思路。

作者在《專用集成電路設計》教學過程中,結合課程的專業(yè)特點,積極探索并實踐了采用提交論文和現(xiàn)場答辯相結合的課程考查方式,即在課程講授到二分之一左右時,布置給學生論文題目,對于論文的范圍、參考文獻的篇數(shù)、論文的格式和字數(shù)等做出明確而具體的規(guī)范,要求學生在最后一次課之前提交自己的論文,做好答辯ppt,并利用專門的時間集中進行答辯,每位學生對自己準備的論文,進行5分鐘左右的講解,并接受教師和其他學生的提問。通過創(chuàng)新課程考查方式,提交論文和現(xiàn)場答辯相結合,讓學生在準備論文和答辯材料的過程中對專用集成電路設計的有關內(nèi)容和工藝、方法等有了更加深刻的理解,并有了一個系統(tǒng)的知識梳理過程,現(xiàn)場答辯的方式也更能夠展現(xiàn)學生對于集成電路設計的一些獨特的思路和創(chuàng)新性的理解,學生在經(jīng)歷這一過程時,也促使自己積極思考,主動研究,努力去探索和集成電路、微電子學有關的一些研究方法和最新進展,激發(fā)自己在完成本門課程的學習后、甚至是大學畢業(yè)后進行進一步研究的興趣和信心;另外還在這個過程中提升了學生的論文寫作能力、科學研究能力。

5 結束語

《專用集成電路設計》課(或者其他名稱的類似課程)在不少設有微電子學專業(yè)的重點大學中開設較為普遍,但在沒有微電子學專業(yè)的高校特別是非重點高校中開設并不多,對于該課程教學實踐中的一些具體的方法研究和探討需要更加深入。作者在教學實踐中,緊密圍繞本校、本專業(yè)的培養(yǎng)目標,以授課對象為主體,遵循課程的教學規(guī)律和科學研究規(guī)律,選擇合適的授課內(nèi)容和教學方法,并且不斷地對此進行探索和研究,收到了初步的教學效果。當然,教學創(chuàng)新永無止境,教學方法的研究和探討不能止步,作為一名年輕教師,在今后的教學實踐中,作者將在加強學習以及與同行交流的前提下,進一步拓寬和創(chuàng)新教學思路,探索和完善教學模式,研究和更新教學內(nèi)容,學習和探討教學技巧,敢于創(chuàng)新,善于創(chuàng)新,真正做到教好書,育好人。

參考文獻:

[1] Michael John Sebastian Smith.專用集成電路[M].虞惠華,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

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[3] 廖裕評,陸瑞強.集成電路設計與布局實戰(zhàn)指導[M].北京:科學出版社,2004.

第3篇：集成電路設計論文范文

一、《電路基礎》課程教學的兩種基本取向

在職業(yè)教育教學實踐中，電路基礎課程教學現(xiàn)有兩種基本的取向。其一，傳遞取向。傳遞取向是通過傳遞知識發(fā)展學生智能的過程。在課堂教學中，教師主要的任務是傳授知識，學生主要的任務是接受并主動地內(nèi)化知識，用知識的多少來反映學生的學習能力和發(fā)展水平，好的教學效果意味著比較有效的知識傳遞。其二，實踐取向。實踐取向認為教學應該是不斷增長學生實踐能力和社會化的過程。課堂教學中，教師不是直接向?qū)W生授受知識，而是通過創(chuàng)造學習情境，使學生在自主探究、合作與交流的過程中，通過知識的建構和意義的賦予，理解知識的意義，獲得解決問題的能力。

無論是傳遞取向還是實踐取向的教學，知識都是教學的基本內(nèi)容。但是，怎樣進行知識教學？知識教學的意義和目的何在？兩種取向的教學遵循著不同的理念和實踐。傳遞取向的教學認為知識是可以傳遞的，并認為知識是教學的起點也是終點，是學生學習和理解的對象。傳授知識的主要方法是講授，學生掌握知識的主要方法是記憶和練習。無論是“精講精練”還是“變式練習”，改進教學方法的目的都是為了更有效的傳遞和掌握知識。傳遞取向教學認為知識教學的意義在于通過知識的傳遞和掌握，促使學生的計算能力、推理能力、邏輯思維能力等心智技能得到發(fā)展和提升。實踐取向認為教學應立足于知識的建構和意義的賦予；教與學的起點不應是書本上的知識，而是來自于實際生產(chǎn)生活的，對學生來說沒有現(xiàn)成的程序步驟可以解決的問題。問題解決的過程才是教學的重點，是學生建構知識和理解知識意義的過程。學生在問題解決過程中，不斷建構知識并運用知識解決實際電路問題。

從筆者多年《電路基礎》課程教學實踐經(jīng)驗出發(fā)，更加傾向于實踐取向的電路課程教學。《電路基礎》課程是高職理工科類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，其教學目標是為專業(yè)課學習和學生的發(fā)展做好基礎知識和基本技能、素養(yǎng)的準備，需要的是學生能利用知識解決實際電路問題的能力。如果學生單憑記憶記住了知識，而沒有理解，那么這樣的知識對于學生的發(fā)展來說仍然是沒有意義的。既不能用來解決問題，也不能帶來理智上的進步。實踐取向教學以問題解決過程來促進學生對知識的理解和運用，顯然，對于電路基礎課程教學目標的達成更加有效。

二、實踐取向的《電路基礎》課程問題解決教學及其設計

1.確定實踐性教學目標

確定實踐性教學目標是實踐取向教學設計的重要環(huán)節(jié)。面對學習主題，教師首先要明確“什么是值得學生理解和掌握的”，才能對癥設計出更有價值的學習活動；學生只有明確“需要理解和學會什么”才不會對問題所帶來的豐富的學習活動感到無所適從。實踐性目標主要不是用于描述學生的學習結果，而是用來描述學生在特定的問題解決活動過程中的行為表現(xiàn)，旨在引導學生“經(jīng)歷”、“體驗”和“探索”，獲得豐富的解決電路問題的經(jīng)驗。例如，在“疊加原理”教學中，實踐性教學目標可以包含：解釋“生活中的疊加”、“數(shù)學中的疊加”原理，假設出“可能在電路中適用的疊加方法”；根據(jù)假設，確定實驗方案，通過實踐探索問題的答案；通過數(shù)據(jù)分析推演出結果的合理性；描述和總結問題解決過程，理解電路中的疊加原理，拓展和建構知識。可以說，實踐性目標本質(zhì)上是一種過程性目標、表現(xiàn)性目標。作為一種過程性目標，實踐性目標是隨著教學過程的展開而自然生成的，是教學情境的產(chǎn)物和問題解決的結果；作為一種表現(xiàn)性目標，實踐性目標應關注學生在教學情境中所產(chǎn)生的個性化表現(xiàn)，學生處理問題的能力。在一個真實的實踐任務中，理解和建構活動一般經(jīng)歷直觀性理解、經(jīng)驗性理解、模型化理解、具體化理解等相互關聯(lián)的階段。另外，在確定實踐性目標時，還應關注《電路基礎》課程的內(nèi)容、思想方法和特殊的表達形式。

2.選擇生成性問題

在實踐取向的教學中，學生的理解通常產(chǎn)生于問題，但問題是否具有生成性對于維持并發(fā)展學生的興趣和理解十分重要。所謂生成性問題是指能夠引導學生的理解持續(xù)深入地發(fā)展，促進學生的認知水平從低層次向高層次的躍遷的問題。如“家里燈泡突然不亮了”這樣一個實際問題，可以生成“歐姆定律”相關的一系列問題。由生成性問題產(chǎn)生的新問題可以是同一主題下維度上的拓展，也可以是不同主題間形式上的類比。生成性問題應包含豐富的知識內(nèi)容和技能，能夠為學生的理解提供概念框架，使學生從中學到的不僅是當前情境的體驗和理解，還能學到適應環(huán)境、處理和思考問題的方法?；趯嵺`任務的生成性問題的選擇應基于問題的真實性，應具有動手操作和思維活動二重性，應符合學生的認知發(fā)展水平。值得注意的是，一個有價值的生成性問題要能引導學生逐步深入理解電路基礎課程中的一些核心原理、基本概念、重要的思想方法等等。因此，在電路基礎課程教學中要思考哪些內(nèi)容和知識點是需要學生深入理解并掌握的。

3.設計實踐性活動

設計實踐性活動的目標在于將問題或任務轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢圆僮鞯幕顒?，幫助學生自然地理解和建構知識。在電路基礎課程教學的實踐活動中一般包括實物操作、虛擬仿真實驗、形式化運演等幾種類型。實物操作和虛擬仿真實驗具有一定的直觀性，可以為學生的理解提供豐富的“感覺映像”。形式化運演借助于抽象、類比、歸納、聯(lián)想等手段理解建構知識。其中形式化運演是理解和應用的高級階段。實踐取向的教學通過創(chuàng)設具體的、可操作的理解性活動，使置身于其中的學生相互影響、自覺地思維與行動。值得提出的是，首先，實踐取向的教學不是以某種認知標準來表征學生學習客觀知識或事實的過程，而是以基于學生個體實踐活動的意圖、行動和反思的互動。因此，實踐性活動的主題指向應是在真實任務中參與認知活動的個人。其次，設計的實踐性活動應滿足學生學習方式多樣化的需要。設計的實踐性活動應考慮到學生在理解和認知上的個性差異，允許學生選擇符合自己認知方式和發(fā)展水平的參與方式，以最大限度地促進所有學生在原有認知水平上的提高。再次，設計實踐性活動時還應建構以學習者共同體、概念學習交流和知識建構共同體為特征的互動學習的平臺。

第4篇：集成電路設計論文范文

論文關鍵詞：集成電路，特點，問題，趨勢，建議

引言

集成電路是工業(yè)化國家的重要基礎工業(yè)之一，是當代信息技術產(chǎn)業(yè)的核心部件，它是工業(yè)現(xiàn)代化裝備水平和航空航天技術的重要制約因素，由于它的價格高低直接影響了電子工業(yè)產(chǎn)成品的價格，是電子工業(yè)是否具有競爭力關鍵因素之一。高端核心器件是國家安全和科學研究水平的基礎，日美歐等國均把集成電路業(yè)定義為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。據(jù)臺灣的“科學委員會”稱未來十年是芯片技術發(fā)展的關鍵時期。韓國政府也表示擬投資600億韓元于2015年時打造韓國的集成電路產(chǎn)業(yè)。

集成電路主要應用在計算機、通信、汽車電子、消費電子等與國民日常消費相關領域因此集成電路與全球GDP增長聯(lián)系緊密，全球集成電路消費在2009年受金融危機的影響下跌9%的情況下2010由于經(jīng)濟形勢樂觀后根據(jù)半導體行業(yè)協(xié)會預計今年集成電路銷售額將同比增長33%。

一、我國集成電路業(yè)發(fā)展情況和特點

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計2009年中國集成電路市場規(guī)模為5676億元占全球市場44%，集成電路消費除2008、2009年受金融危機影響外逐年遞增，中國已成為世界上第一大集成電路消費國，但國內(nèi)集成電路產(chǎn)量僅1040億元，絕大部分為產(chǎn)業(yè)鏈低端的消費類芯片，技術落后發(fā)達國家2到3代左右，大量高端芯片和技術被美日韓以及歐洲國家壟斷。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)占GDP的比例逐年加大從2004年的0.59%到2008年的0.74%.年均增長遠遠超過國際上任何一個其他國家，是全球集成電路業(yè)的推動者，屬于一個快速發(fā)展的行業(yè)。從2000年到2007年我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入年均增長超過18%畢業(yè)論文提綱，增長率隨著經(jīng)濟形勢有波動，由于金融危機的影響2008年同比2007年下降了0.4%，2009年又同比下降11%，其中集成電路設計業(yè)增速放緩實現(xiàn)銷售收入269.92億元同比上升14.8%，由于受金融危機影響，芯片制造業(yè)實現(xiàn)銷售收入341.05億元同比下降13.2%、封裝測試業(yè)實現(xiàn)銷售收入498.16億元同比下降19.5%。我國集成電路總體上企業(yè)總體規(guī)模小，有人統(tǒng)計過，所有設計企業(yè)總產(chǎn)值不如美國高通公司的1/2、所有待工企業(yè)產(chǎn)值不如臺積電、所有封測企業(yè)產(chǎn)值不如日月光。

在芯片設計方面，我國主流芯片設計采用130nm和180nm技術，65nm技術在我國逐漸開展起來，雖然國際上一些廠商已經(jīng)開始應用40nm技術設計產(chǎn)品了，但由于65nm技術成熟，優(yōu)良率高，將是未來幾年贏利的主流技術.設計公司數(shù)量不斷增長但規(guī)模都較小，屬于初始發(fā)展時期。芯片制造方面，2010國外許多廠商開始制造32nm的CPU但大規(guī)模采用的是65nm技術，而中國國產(chǎn)芯片中的龍芯還在采用130nm技術，中芯國際的65nm技術才開始量產(chǎn)，國產(chǎn)的自主知識產(chǎn)權還沒達到250技術。在封裝測試技術方面，這是我國集成電路企業(yè)的主要業(yè)務，也是我國的主要出口品，有數(shù)據(jù)顯示我國集成電路產(chǎn)業(yè)的50%以上的產(chǎn)值都由封裝產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造，隨著技術的成熟，部分高端技術在國內(nèi)逐步開始開展，但有已經(jīng)開始下降的趨勢雜志網(wǎng)。在電子信息材料業(yè)方面，下一代晶圓標準是450mm，有資料顯示將于2012年試制，現(xiàn)在國際主流晶圓尺寸是300mm，而我國正在由200mm到300mm過渡。在GaAs單晶、InP單晶、光電子材料、磁性材料，壓電晶體材料、電子陶瓷材料等領域無論是在研發(fā)還是在生產(chǎn)均較大落后于國外，總體來說我國新型元件材料基本靠進口。在半導體設備制造業(yè)方面畢業(yè)論文提綱，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計我國95%的設備是外國設備，而且二手設備占較大比例，重要的半導體設備幾乎都是國外設備，從全球范圍來講美日一直壟斷其生產(chǎn)和研發(fā)，臺灣最近也有有了較大發(fā)展，而我國半導體設備制造業(yè)發(fā)展較為緩慢。

我國規(guī)劃和建成了7個集成電路產(chǎn)業(yè)基地，產(chǎn)業(yè)集聚效應初步顯現(xiàn)出來，其中長江三角洲、京津的上海、杭州、無錫和北京等地區(qū),是我國集成電路的主要積聚地，這些地區(qū)集中了我國近半數(shù)的集成電路企業(yè)和銷售額，其次是中南地區(qū)約占整個產(chǎn)業(yè)企業(yè)數(shù)和銷售額的三分之一，其中深圳基地的IC設計業(yè)居全國首位，制造企業(yè)也在近一部壯大，由于勞動力價格相對廉價，我國集成電路產(chǎn)業(yè)正向成都、西安的產(chǎn)業(yè)帶轉(zhuǎn)移。

二、我國集成電路業(yè)發(fā)展存在的問題剖析

首先，我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈還很薄弱，科研與生產(chǎn)還沒有很好的結合起來，應用十分有限，雖然新聞上時常宣傳中科院以及大專院校有一些成果，但尚未經(jīng)過市場的運作和考驗。另外集成電路產(chǎn)品的缺乏應用途徑這就使得研究成果的產(chǎn)業(yè)化難以推廣和積累成長。

其次，我國集成電路產(chǎn)業(yè)尚處于幼年期，企業(yè)規(guī)模小，集中度低，資金缺乏，人才缺乏，市場占有率低，不能實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟效應，相比國外同類企業(yè)在各項資源的占有上差距較大。由于集成電路行業(yè)的風險大，換代快，這就造成了企業(yè)的融資困難，使得我國企業(yè)發(fā)展緩慢，有數(shù)據(jù)顯示我國集成電路產(chǎn)業(yè)有80%的投資都來自海外畢業(yè)論文提綱，企業(yè)的主要負責人大都是從臺灣引進的。

再次，我國集成電路產(chǎn)業(yè)相關配套工業(yè)落后，產(chǎn)業(yè)基礎薄弱。集成電路產(chǎn)業(yè)的上游集成電路設備制造的高端設備只有美日等幾家公司有能力制造，這就大大制約了我國集成電路工藝的發(fā)展速度，使我國的發(fā)展受制于人。

還有，我國集成電路產(chǎn)成品處于產(chǎn)品價值鏈的中、低端，難以提出自己的標準和架構，研發(fā)能力不足，缺少核心技術，處于低附加值、廉價產(chǎn)品的向國外技術模仿學習階段。有數(shù)據(jù)顯示我國集成電路使用中有80%都是從國外進口或設計的，國產(chǎn)20%僅為一些低端芯片，而由于產(chǎn)品相對廉價這當中的百分之七八十又用于出口。

三、我國集成電路發(fā)展趨勢

有數(shù)據(jù)顯示PC機市場是我國集成電路應用最大的市場，汽車電子、通信類設備、網(wǎng)絡多媒體終端將是我國集成電路未來增長最快應用領域. Memory、CPU、ASIC和計算機外圍器件將是最主要的幾大產(chǎn)品。國際集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展逐步走向成熟階段，集成電路制造正在向我國大規(guī)模轉(zhuǎn)移，造成我國集成電路產(chǎn)量上升，如Intel在2004年和2005年在成都投資4.5億元后，2007年又投資25億美元在大連投資建廠預計2010年投產(chǎn)。

另外我國代工產(chǎn)業(yè)增速逐漸放緩，增速從當初的20%降低到現(xiàn)在的6%-8%，低附加值產(chǎn)業(yè)逐漸減小。集成電路設計業(yè)占集成點設計業(yè)的比重不斷加大，2008、2009兩年在受到金融危機的影響下在其他專業(yè)大幅下降的情況下任然保持一個較高的增長率，而且最近幾年集成電路設計業(yè)都是增長最快的領域，說明我國的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善和合理，設計、制造、封裝測試三行業(yè)開始向“3：4：4”的國際通行比例不斷靠近。從發(fā)達國家的經(jīng)驗來看都是以集成電路設計公司比重不斷加大，制造公司向不發(fā)達地區(qū)轉(zhuǎn)移作為集成電路產(chǎn)業(yè)走向成熟的標志。

我國集成電路產(chǎn)業(yè)逐漸向優(yōu)勢企業(yè)集中,產(chǎn)業(yè)鏈不斷聯(lián)合重組，集中資源和擴大規(guī)模，增強競爭優(yōu)勢和抗風險能力，主要核心企業(yè)銷售額所占全行業(yè)比重從2004年得32%到2008年的49%，體現(xiàn)我國集成電路企業(yè)不斷向優(yōu)勢企業(yè)集中，行業(yè)越來越成熟，從美國集成電路廠商來看當行業(yè)走向成熟時只有較大的核心企業(yè)和專注某一領域的企業(yè)能最后存活下來。

我國集成電路進口量增速逐年下降從2004年的52.6%下降為2008年的1.2%,出口量增速下降幅度小于進口量增速。預計2010年以后我國集成電路進口增速將小于出口增速，我國正在由集成電路消費大國向制造大國邁進。

四、關于我國集成電路發(fā)展的幾點建議

第一、不斷探索和完善有利于集成電路業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)模式和運作機制。中國高校和中科院研究所中有相對寬松的環(huán)境使得其適合醞釀研發(fā)畢業(yè)論文提綱，但中國的高端集成電路研究還局限在高校和中科院的實驗室里，沒有一個循序漸進的產(chǎn)業(yè)運作和可持續(xù)發(fā)展機制，這就使得國產(chǎn)高端芯片在社會上認可度很低，得不到應用和升級。在產(chǎn)業(yè)化成果推廣的解決方面?？梢越梃b美國的國家采購計劃，以政府出資在武器和航空航天領域進行國家采購以保證研發(fā)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應用得以實現(xiàn)雜志網(wǎng)。只有依靠公共研發(fā)機構的環(huán)境、人才和技術優(yōu)勢結合企業(yè)的市場運作優(yōu)勢，走基于公共研發(fā)機構的產(chǎn)業(yè)化道路才是問題的正確路徑。

第二、集成電路的研發(fā)是個高投入高風險的行業(yè)是技術和資本密集型產(chǎn)業(yè)，有數(shù)據(jù)顯示集成電路研發(fā)費用要占銷售額的15%，固定資產(chǎn)投資占銷售額的20%，銷售額如果達不到100億美元將無力承擔新一代產(chǎn)品的研發(fā)，在這種情況下由于民族集成電路產(chǎn)業(yè)在資金上積累有限，幾乎沒有抗風險能力，技術上缺乏積累，經(jīng)不起和國際集成電路巨頭的競爭，再加上我國是一個勞動力密集型產(chǎn)業(yè)國，根據(jù)國際貿(mào)易規(guī)律，資本密集型的研發(fā)產(chǎn)業(yè)傾向于向發(fā)達國家集中，要想是我國在未來的高技術的集成電路研發(fā)有一席之地只有國家給予一定的積極的產(chǎn)業(yè)政策，使其形成規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢地位，才能使集成電路業(yè)進入良性發(fā)展的軌道.對整個產(chǎn)業(yè)鏈，特別是產(chǎn)業(yè)鏈的低端更要予以一定的政策支持。由政府出資風險投資，通過風險投資公司作為企業(yè)與政府的隔離，在成功投資后政府收回投資回報退出公司經(jīng)營，不失為一種良策。資料顯示美國半導體業(yè)融資的主要渠道就是靠風險基金。臺灣地區(qū)之所以成為全球第四大半導體基地臺就與其6年建設計劃對集成電路產(chǎn)業(yè)的重點扶植有密切關系，最近灣當局的“科學委員會”就在最近提出了擬扶植集成電路產(chǎn)業(yè)使其達到世界第二的目標。

第三、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以走先官辦和引進外資再民營化道路，在產(chǎn)業(yè)初期由于資金技術壁壘大人才也較為匱乏民營資本難于介入，這樣只有利用政府力量和外資力量，但到一定時期后只有民營資本的介入才能使集成電路產(chǎn)業(yè)走向良性化發(fā)展的軌道。技術競爭有利于技術的創(chuàng)新和發(fā)展，集成電路業(yè)的技術快速更新的性質(zhì)使得民營企業(yè)的競爭性的優(yōu)勢得以體現(xiàn)，集成電路每個子領域技術的專用化特別高分工特別細，每個子領域有相當?shù)募夹g難度，不適合求小而且全的模式。集成電路產(chǎn)業(yè)各個子模塊經(jīng)營將朝著分散化畢業(yè)論文提綱，專業(yè)化的方向發(fā)展，每個企業(yè)專注于各自領域，在以形成的設計、封裝、測試、新材料、設備制、造自動化平臺設計、IP設計等幾大領域內(nèi)分化出有各自擅長的專業(yè)領域深入發(fā)展并相互補充，這正好適應民營經(jīng)濟的經(jīng)營使其能更加專注，以有限的資本規(guī)模經(jīng)營能力能夠達到自主研發(fā)高投入，適應市場高度分工的要求，所以民間資本的投入會使市場更加有效率。

第四、技術引進吸收再創(chuàng)新將是我國集成電路技術創(chuàng)新發(fā)展的可以采用的重要方式。美國國家工程院院士馬佐平曾今說過：中國半導體產(chǎn)業(yè)有著良好的基礎，如果要趕超世界先進水平，必須要找準方向、加強合作。只有站在別人的基礎上，吸取國外研發(fā)的經(jīng)驗教訓，并充分合作才是我國集成電路業(yè)發(fā)展快速發(fā)展有限途徑，我國資金有限，技術底子薄，要想快速發(fā)展只有借鑒別人的技術在此基礎上朝正確方向發(fā)展，而不是從頭再來另立門戶。國際集成電路產(chǎn)業(yè)鏈分工與國家集成電路工業(yè)發(fā)展階段有很大關系，隨著產(chǎn)業(yè)的不斷成熟和不斷向我國轉(zhuǎn)移使得我國可以走先生產(chǎn)，在有一定的技術和資金積累后再研發(fā)的途徑。技術引進再創(chuàng)新的一條有效路徑就是吸引海外人才到我國集成電路企業(yè)，美國等發(fā)達國家的經(jīng)濟不景氣正好加速了人才向我國企業(yè)的流動，對我國是十分有利的。

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第5篇：集成電路設計論文范文

關鍵詞：特色專業(yè)建設；復旦大學；微電子學；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

復旦大學“微電子學與固體電子學”學科有半個多世紀的深厚積累。20世紀50年代，謝希德教授領導組建了全國第一個半導體學科，培養(yǎng)了我國首批微電子行業(yè)的中堅力量。60年代研制成功我國第一個鍺集成電路。1984年，經(jīng)國務院批準設立微電子與固體電子學學科博士點，1988年、2001年、2006年被評為國家重點學科。所在一級學科于1998年獲首批一級博士學位授予權，設有獨立設置的博士后流動站和長江特聘教授崗位，建有“專用集成電路與系統(tǒng)”國家重點實驗室，1998年和2003年被列入“211”工程建設學科，2000年被定為“復旦三年行動計劃”重中之重學科得到學校重點支持，2005年獲“985工程”二期支持，建設“微納電子科技創(chuàng)新平臺”。

長期以來復旦大學微電子學教學形成了“基礎與專業(yè)結合，研究與應用并重，創(chuàng)新人才培養(yǎng)國際化”特色。近年來，在教育部第二批高等學校特色專業(yè)建設中，我們根據(jù)國家和工業(yè)界對集成電路人才的要求，貫徹“國際接軌、應用牽引、注重質(zhì)量”的教學理念，制定了復旦大學“微電子教學工作三年計劃大綱”并加以實施，在高端創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面對專業(yè)教學的特色開展了深層的挖掘和拓展。

一、課程體系的完善和課程建設

微電子技術的高速發(fā)展要求微電子專業(yè)課程體系在相對固定的框架下不斷加以更新和完善。

我們設計了“復旦大學微電子學專業(yè)本科課程設置調(diào)查表”，根據(jù)對于目前工作在企業(yè)、大學和研究機構的專業(yè)人士的調(diào)查結果，制定了新的微電子學本科培養(yǎng)方案。主要修改包括：

（1）加強物理基礎、電路理論和通信系統(tǒng)課程。微電子學科，特別是系統(tǒng)芯片集成技術，是融合物理、數(shù)學、電路理論和信息系統(tǒng)的綜合性應用學科。因此，在原有課程基礎上，增加了有關近代物理、信號與通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程，使微電子學生的知識覆蓋面更寬。

（2）面向研究、應用和學科交叉的需要，增加專業(yè)選修課程。如增加了電子材料薄膜測試表征方法、射頻微電子學、鐵電材料與器件、Perl語言、計算微電子學、實驗設計及數(shù)據(jù)分析等課程，為本科生將來進一步從事研究和應用開發(fā)打下基礎。

（3）強調(diào)能力和素質(zhì)訓練，高度重視實驗教學。開設了集成電路工藝實驗、集成電路器件測試實驗、集成電路可測性設計分析實驗及專用集成電路設計實驗等從專業(yè)基礎到專業(yè)的多門實驗課。

在課程體系調(diào)整完善的同時，還對于微電子專業(yè)基礎課和專業(yè)必修課開展了新一輪的課程建設。包括：

（1）精品課程的建設。幾年來，半導體物理、集成電路工藝原理、數(shù)字集成電路設計經(jīng)過建設已經(jīng)獲得復旦大學校級精品課程。其中半導體物理和集成電路工藝原理課程獲得學校的重點資助，正在建設上海市精品課程。另有半導體器件原理和模擬集成電路設計正在復旦大學校級精品課程建設之中，有望明年獲得稱號。

（2）增加全英語教學和雙語教學課程。為了滿足微電子技術的高速發(fā)展和學生盡快吸收、學習最新知識的需求，貫徹落實教育部“為適應經(jīng)濟全球化和科技革命的挑戰(zhàn)，本科教育要創(chuàng)造條件使用英語等外語進行公共課和專業(yè)課教學”的要求，在本科生專業(yè)課的教學中新增全英語教學課程3門，雙語教學課程4門。該類專業(yè)課程的開設也為微電子專業(yè)的國際交流學生提供了選課機會。

（3）教材建設。為了配合課程體系的完善和補充更新專業(yè)知識，除了選用一些國際頂級高校的教材之外，還依據(jù)我們的課程體系組織編寫了一系列專業(yè)教材和論著。有已經(jīng)出版的《深亞微米FPGA結構與CAD設計》、《Modern Thermodynamics》、《現(xiàn)代熱力學－基于擴展卡諾定理》，列入出版計劃的《半導體器件原理》、《超大規(guī)模集成電路工藝技術》和《計算機軟件技術基礎》。另外根據(jù)課程體系的要求對實驗用書也進行了更新。

為了傳承復旦微電子學的豐富教學經(jīng)驗和保證教學質(zhì)量，建立了完備的教學輔導制度，如課前試講、課中聽課及聘請經(jīng)驗豐富的退休老教師與青年教師結對子輔導等。每學期聽課總量和被聽課教師分別均超過所授課程和任課教師人數(shù)的50%以上。對所有聽課結果進行了數(shù)據(jù)分析，并反饋給任課教師，為教師改進教學提供了有益的幫助。在保證教學內(nèi)容的情況下，鼓勵教師嘗試新的教學手段，實現(xiàn)所有必修課程的電子化，建立主要必修課程的網(wǎng)頁，完全公開提供所有課件信息，部分課件獲得超過15000次的下載量。青年教師還獨創(chuàng)了“移動課堂”的授課新方法，該方法能夠完整復制課堂教學，既能高清晰展示教學課件的內(nèi)容，又能把教師課上講解的聲音、動作及臨時板書全部包含在內(nèi)，能夠使用大眾化的多媒體終端進行播放，隨時隨地完美重現(xiàn)課堂講解全過程。

通過國際合作的研究生項目及教師出國交流，復旦大學微電子學專業(yè)教師的教學水平得到進一步提升。在研究生的聯(lián)合培養(yǎng)項目（如復旦-TU Delft碩士生項目、復旦-KTH碩士生/博士生項目等）中海外高校教師來到復旦全程教授所有課程，復旦配備青年教師跟班聽課和擔任課程輔導。這使得青年教師的授課理念、授課方式及授課水平都有大幅提高。同時，由于聯(lián)合培養(yǎng)項目及其他合作項目，復旦的青年教師也被邀請參與海外高校的教學，擔任對方課程的主講，青年教師利用交流的機會，引進海外高校的一些課程用于補充復旦微電子的培養(yǎng)方案。這些都為集成電路專業(yè)特色的挖掘和拓展起到重要的作用。

經(jīng)過幾年的努力，微電子專業(yè)的教學水平普遍得到提升，在教學評估中得到各個方面的好評。

二、培養(yǎng)方法的改進和創(chuàng)新

培養(yǎng)適應時代要求的微電子專業(yè)創(chuàng)新人才也需要在培養(yǎng)方法上加以改進和創(chuàng)新。

針對微電子工程的特點，在堅持扎實的理論的基礎上，強調(diào)理論聯(lián)系實際，開展實踐能力訓練。在學校的支持下，教學實驗室環(huán)境得到及時更新，幾個方面的實驗教學在國內(nèi)形成特色。

（1）本科的集成電路工藝實驗可以在學校自己的工藝線上完成芯片的清洗、氧化、擴散、光刻、蒸發(fā)、腐蝕等基本工藝制作步驟，為學生完整掌握集成電路制造的基本能力提供了很好的實際訓練。

（2）在集成電路測試方面，結合自動化測試機臺（安捷倫SoC93000ATE），開設了可測性設計課程，附帶實驗。

（3）集成電路設計課程都附帶課程項目實踐，培養(yǎng)了學生實際設計能力和素質(zhì)，取得很好效果。

通過課程教學訓練學生創(chuàng)新思維和分析問題的能力。嘗試開設了部分本科生和研究生同時共同選修的研討型課程。在課程學習的過程中，本科生不僅可以得到研究生的指導，在課堂上就某些課程內(nèi)容進行探究，還可以在開展課程設計時在小組內(nèi)和研究生同學共同開展小型項目研究，對于提高本科生進一步學習微電子專業(yè)的興趣和培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力有很大的幫助。

參加科研無疑是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一個最為有效的途徑。配合復旦大學的要求，微電子學專業(yè)在本科階段，持續(xù)設置多種科研計劃，給予本科生進實驗室開展科研以支持。

（1）大一的“啟航”學術體驗計劃。計劃鼓勵大一學生在感興趣的領域進行探究式學習和實踐，為學生打造一個培養(yǎng)創(chuàng)新意識，鍛煉學術能力的資源平臺。“啟航”學術體驗計劃的所有學術實踐項目均來自各個微電子專業(yè)的導師，學生通過對感興趣的項目進行申報與自薦的形式申請加入各學術實踐小組。引導學生領略學科前沿，體驗研究樂趣。

（2）二、三年級曦源項目。項目建立在學生自主學習和創(chuàng)新思想的基礎上，鼓勵志同道合的同學組成研究團隊，獨立提出研究方向，尋找合適的指導教師。加入自己感興趣的研究方向的團隊。在開放課題列表中尋找合適的課題方向，并向該課題指導教師進行申請。還有更多的學生在大三甚至更早就進入各個研究小組，參與教授領導的各類國家級、省部級項目及來自企業(yè)、海外等的合作項目的研究。在完成的計劃和項目成果之外，學生們還在收集文獻資料、獲取信息的能力，發(fā)現(xiàn)問題、獨立思考的能力，運用理論知識解決實際問題的能力，設計和推導論證、分析與綜合的能力，科學實驗、發(fā)明創(chuàng)造的能力，寫作和表說的能力等方面，都有不同的收獲。

通過學生參加國際交流活動及外籍教師講授課程給學生提供國際化的培養(yǎng)，提供層次更高、路徑多元的培養(yǎng)方案，培養(yǎng)了學生的國際化眼光，開拓了學生的培養(yǎng)渠道。

幾年來，微電子學專業(yè)學生的出國交流人數(shù)逐年增長，從2008年起，共有20位本科生赴國外多個高校交流學習。交流的項目包括雙學位、長學期和暑期項目等，交流時間從3個月到2年不等，交流學校包括美國（耶魯、UCLA等）、歐洲（伯明翰、赫爾辛基等）、日本（早稻田、慶應等）及我國港臺高校。大多數(shù)同學在交流期間的學習成績達到交流學校的優(yōu)秀等級，同時積極參加交流學校教授小組的科研工作，得到了很好的評價。個別同學由于表現(xiàn)優(yōu)異在交流結束回國后被對方教授邀請再次前去完成畢業(yè)論文；也有同學交流期間）參加國際級大師的科研小組工作，獲益匪淺，直研后表現(xiàn)出強于一般研究生的科研能力?？梢钥吹?，國際交流不僅為同學們提供了專業(yè)知識和研究能力的不同培養(yǎng)模式，也為他們提供了更加廣闊的視野和體驗多種文化的機會，為他們今后的發(fā)展和進步打下了很好的基礎。自特色專業(yè)建設以來，每學期均新開設“前沿講座”課程，課程內(nèi)容不固定，授課人為聘請的海外教師，有的來自海外高校，有的來自海外企業(yè)，課程均為全英語課程或雙語教學課程。這類課程直接引進了海外高校的課程和教學方式，不僅學生受益，同時也培養(yǎng)了復旦微電子專業(yè)的青年教師。企業(yè)還提供與課程內(nèi)容直接相關的軟件，在改善教學環(huán)境的同時，還為學生參加科研提供了培訓。

經(jīng)過2年多特色專業(yè)項目的建設，復旦微電子學專業(yè)在鞏固已有教學特色基礎上，在高端創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面進行了深層的挖掘和拓展，取得了一系列的成果。

第6篇：集成電路設計論文范文

P鍵詞音頻信號；WM8731S；先入先出存儲器

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0095-02

1.概述

1.1論文研究的目的及意義

目前用VHDL進行電路設計，可以經(jīng)過綜合與布局，燒錄至FPGA上進行測試，是硬件集成電路設計驗證的技術主流。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件，是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。數(shù)字語音集成電路與嵌入式微處理器相結合，首先降低了產(chǎn)品研發(fā)成本，其次系統(tǒng)更小、耗電低，況且使設計更簡單，電路擴展方便且體積小，應用前景更廣，如無人駕駛、5G技術、消費電子產(chǎn)品、排隊機、報警以及報站器等。

1.2系統(tǒng)總體設計方案

FPGA的開發(fā)相對于傳統(tǒng)Pc、單片機的開發(fā)有很大不同，F(xiàn)PGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/0間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。FGPA芯片對WM8731進行控制，使得WM8731對音頻信號進行濾波處理。隨著百萬門級FPGA的推出單片系統(tǒng)成為可能。為了支持SOPE的實現(xiàn)方便用戶的開發(fā)與應用altera還提供了眾多性能優(yōu)良的宏模塊、IP核以及系統(tǒng)集成等完整的解決方案。這些宏功能模塊、IP核都經(jīng)過了嚴格的測試使用這些模塊將大大減少設計的風險縮短開發(fā)周期并且可使用戶將更多的精力和時間放在改善和提高設計系統(tǒng)的性能上而不是重復開發(fā)已有的模塊。

2.系統(tǒng)的處理

2.1本音頻信號處理系統(tǒng)

本音頻信號處理系統(tǒng)以WM8731芯片為處理平臺，以FPGA芯為控制中心，控制音頻解編碼芯片WM8731對輸入的音頻信號進行濾波處理，以獲得高品質(zhì)的音頻數(shù)字信號，再將高品質(zhì)的音頻數(shù)字信號輸出到信號接收端。由音頻編解碼模塊電路、控制器模塊、時鐘分頻模塊、I2c時序接口模塊、I2c控制字配置模塊、I2s時序接口及音頻數(shù)據(jù)處理模塊、FIFO先進先出存儲器設計、帶通數(shù)字濾波設計8部分構成。

2.2各部分電路原理

1）時鐘分頻模塊由于要使WM8731工作，此主時鐘頻率依照該芯片工作的不同模式有12.288MHz、18.432MHz、11.2896MHz以及16.9344MHz這4中頻率可選。

2）I2c時序接口模塊。實現(xiàn)對I2c時序的模擬，控制SCLK（數(shù)據(jù)時鐘）和SDAT（數(shù)據(jù)線）將存放在I2c_data中的24位控制字串行發(fā)送給W～8731，該模塊例化于I2c控制字配置模塊之中，以實現(xiàn)對該芯片的控制字寫入。

3）I2c控制字配置模塊。分別為：MODE、CSB、SDIN和SCLK。對應功能為控制接口選擇線、片選或地址選擇線、數(shù)據(jù)輸入線和時鐘輸入線。它具有2線和3線兩種模式。本文采用2線模式對WM8731進行控制。為MPU接口。選擇MODE為0時為2線模式。

4）I2s時序接口及音頻數(shù)據(jù)處理模塊。將18.432MHz的主時鐘分頻，產(chǎn)生均為48kHz的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率時鐘以及對應的數(shù)字音頻時鐘（BELK）。除此之外，在此模塊中還調(diào)用了I2s串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)模塊，并定義變量state作為串并變換的起始標志。

5）FIFO先進先出存儲器，是一種非常基本，使用非常廣泛的模塊。

3.系統(tǒng)的軟件設計及調(diào)試

軟件分為控制器模塊程序、時鐘分頻模塊、I2c總線時序模塊、12S時序接口及音頻數(shù)據(jù)處理模塊。本系統(tǒng)是基于FPGA的音頻編解碼芯片控制器，用以實現(xiàn)對語音芯片WM8731的控制。在整個系統(tǒng)中，用到了標準MIC、Line-in、Line-out接口、2個開關按鍵以及3個按鈕式按鍵。FPGA器件主要通過12C總線給語音芯片WM8731經(jīng)行控制字配置。初始化完成后，音頻數(shù)據(jù)從MIC或LineIn輸入，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號再進入FIFO，再經(jīng)過FIR數(shù)字濾波處理，之后成為串行的數(shù)字信號并由12S總線傳入FPGA器件。經(jīng)過串并變換等處理之后，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換由LineOut通過耳機輸出。在調(diào)試過程中，始終選擇主模式，DACSEL始終置為數(shù)字信號輸出。在測試中，WM8731能夠輸出高品質(zhì)的音頻信號。

第7篇：集成電路設計論文范文

關鍵詞　微電子技術　集成系統(tǒng)　微機電系統(tǒng)　dna芯片

1 引　言

綜觀人類社會發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發(fā)現(xiàn)和新技術的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學技術作為革命的力量，推動著人類社會向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術成為整個信息社會的基礎和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學技術是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會的重要資源，但對它的利用卻僅僅是開始。當前面臨的信息革命以數(shù)字化和網(wǎng)絡化作為特征。數(shù)字化大大改善了人們對信息的利用，更好地滿足了人們對信息的需求；而網(wǎng)絡化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數(shù)字化和網(wǎng)絡化為特征的信息技術同一般技術不同，它具有極強的滲透性和基礎性，它可以滲透和改造各種產(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟形態(tài)和社會、政治、文化等各個領域。而它的基礎之一就是微電子技術?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有微電子技術的進步，就不可能有今天信息技術的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個信息社會發(fā)展的基石。

50多年來微電子技術的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和應用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、cmos技術、半導體隨機存儲器、cpu、非揮發(fā)存儲器等微電子領域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數(shù)量已經(jīng)超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（silicon age）〖1〗。因此可以說社會發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。

在微電子技術發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認為：目前微電子技術已經(jīng)發(fā)展到了一個很關鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領域主要有以下四個方面：以硅基cmos電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（system on a chip，soc）為發(fā)展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如mems，dna chip等。

2 21世紀上半葉仍將以硅基cmos電路為主流工藝

微電子技術發(fā)展的目標是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。以mos技術為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數(shù)目的晶體管，將結構更加復雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內(nèi)信號的延遲總小于芯片間的信號延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了intel公司創(chuàng)始人之一的gordon e．moore 1965年預言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預測這種發(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實了moore的預言[2]。而且根據(jù)我們的預測，微電子技術的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀繼續(xù)一段時期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法與之比擬的。

現(xiàn)在，0．18微米cmos工藝技術已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實驗室中制備成功，研究工作已進入亞0．1微米技術階段，相應的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預計到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64gdram產(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。

21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產(chǎn)技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基cmos工藝技術為主流。盡管微電子學在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學技術的發(fā)展規(guī)律，一種新技術從誕生到成為主流技術一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時間。另外，全世界數(shù)以萬億美元計的設備和技術投入，已使硅基工藝形成非常強大的產(chǎn)業(yè)能力；同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)仍起重要作用，人們不會輕易放棄。

目前很多人認為當微電子技術的特征尺寸在2015年達到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術時代的結束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術之外，還有設計技術、系統(tǒng)結構等方面需要進一步的大力發(fā)展，這些技術的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術，很多著名的微電子學家也預測，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>

隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對其中的物理規(guī)律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)典理論基礎上，這些理論適合于描述微米量級的微電子器件，但對空間尺度為納米量級、空間尺度為飛秒量級的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，sio2柵介質(zhì)材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時傳統(tǒng)器件結構也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結構和微細加工、互連、集成等關鍵工藝技術。具體的需要創(chuàng)新和重點發(fā)展的領域包括：基于介觀和量子物理基礎的半導體器件的輸運理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結構，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結構，電子束步進光刻、13nmeuv光刻、超細線條刻蝕，soi、gesi／si等與硅基工藝兼容的新型電路，低k介質(zhì)和cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術等。

3 量子電子器件（qed）和以分子原子自組裝技術為基礎的納米電子學將帶來嶄新的領域

在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基cmos工藝技術，可稱之為“scaling down”，與此同時我們必須注意“bottom up”。“bottom up”最重要的領域有二個方面：

(1)量子電子器件（qed—quantum electron device）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優(yōu)點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極?。é羏），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。

因此，目前可以認為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。

(2)以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（qca—quantum－dot cellular automata)和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。

量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點,它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。

以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質(zhì)類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而ge、si只有一個。這些都使碳納米管（cnt）成為當前科研熱點，從1991年發(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的cnt并提出“t形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的cnt器件，更難以集成。

目前“bottom up”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“scaling down”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度cmos電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。

qca和cnt器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。

4 系統(tǒng)芯片（system on a chip）是21世紀微電子技術發(fā)展的重點

在集成電路（ic）發(fā)展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫（cell－lib），使得集成電路設計從器件級進入邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與集成電路設計，極大地推動了ic產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。ic芯片是通過印刷電路板（pcb）等技術實現(xiàn)整機系統(tǒng)的。盡管ic的速度可以很高、功耗可以很小，但由于pcb板中ic芯片之間的連線延時、pcb板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于ic設計與工藝技術水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經(jīng)可以在一個芯片上集成108－109個晶體管，而且隨著微電子制造技術的發(fā)展，21世紀的微電子技術將從目前的3g時代逐步發(fā)展到3t時代（即存儲容量由g位發(fā)展到t位、集成電路器件的速度由ghz發(fā)展到燈thz、數(shù)據(jù)傳輸速率由gbps發(fā)展到tbps，注：1g=109、1t=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。

正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（system on a chip，簡稱soc）概念。

系統(tǒng)芯片（soc）與集成電路（ic）的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命，它和集成電路的關系與當時集成電路與分立元器件的關系類似，它對微電子技術的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術。

soc是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數(shù)幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，它的設計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下（top－down）的。很多研究表明，與ic組成的系統(tǒng)相比，由于soc設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用soc方法和0．35μm工藝設計系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0．18～0.25μm工藝制作的ic所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)ic方法設計的芯片相比,采用soc設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l～2個數(shù)量級。

對于系統(tǒng)芯片（soc）的發(fā)展，主要有三個關鍵的支持技術。

（1）軟、硬件的協(xié)同設計技術。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（functional partition theory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。

（2）ip模塊庫問題。ip模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經(jīng)過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。cmos的cpu、dram、sram、e2prom和flash memory以及a／d、d／a等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值?，F(xiàn)在,美國硅谷在80年代出現(xiàn)無生產(chǎn)線（fabless)公司的基礎上，90年代后期又出現(xiàn)了一些無芯片（chipless）的公司,專門銷售ip模塊。

（3）模塊界面間的綜合分析技術,這主要包括ip模塊間的膠聯(lián)邏輯技術（glue logic technologies）和ip模塊綜合分析及其實現(xiàn)技術等。

微電子技術從ic向soc轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術的創(chuàng)新,它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術上的革命。目前，soc技術已經(jīng)嶄露頭角，21世紀將是soc技術真正快速發(fā)展的時期。

在新一代系統(tǒng)芯片領域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發(fā)展歷史上,每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用,但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域,因此算法應是今后系統(tǒng)芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的cmos結構，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（glue logic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。

5 微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點

微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經(jīng)濟增長點，這方面的典型例子便是mems（微機電系統(tǒng)）技術和dna生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產(chǎn)物。

微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術的拓寬和延伸,它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。mems將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，mems是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。mems技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。

mems的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。正是由于mems器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,因而mems在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（abs）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息mems系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時mems系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。

mems技術及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，目前正處在技術發(fā)展時期，再過若干年將會迎來mems產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時期。2000年，全世界mems的市場達到120到140億美元，而帶來的與之相關的市場達到1000億美元。

目前，mems系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術的進步,加快了計算機更新?lián)Q代的速度，對cpu和ram的需求越來越大,反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命?，F(xiàn)階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限,還沒有出現(xiàn)類似于cpu和ram這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對人們的社會生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。

當前mems系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎技術方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎技術可以高效地設計制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準應用突破口，揚長避短，以特別適合微系統(tǒng)應用的重大領域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在mems發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：mems建模與設計方法學研究；三維微結構構造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學和熱學研究；mems的表征與計量方法學；納結構與集成技術等。

微電子與生物技術緊密結合誕生的以dna芯片等為代表的生物芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經(jīng)濟增長點。它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產(chǎn)，它是生命科學與技術科學相結合的產(chǎn)物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是dna芯片。

采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達萬種dna基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。

dna芯片的基本思想是通過生物反應或施加電場等措施使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前stanford和affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作出了dna芯片〖4〗。他們制作的dna芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層dna纖維。不同的dna纖維圖案分別表示不同的dna基因片段，該芯片共包括6000余種dna基因片段。dna（脫氧核糖核酸）是生物學中最重要的一種物質(zhì)，它包含有大量的生物遺傳信息，dna芯片的作用非常巨大，其應用領域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學等，而且隨著dna芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術將廣泛應用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學和環(huán)境保護等人類生活的各個方面，那時，生物芯片有可能象今天的ic芯片一樣無處不在。

目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術及超分子自組裝技術，在固體芯片表面構建的微分析單元和系統(tǒng)，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實現(xiàn)技術、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設計、檢測方法學等等。

6 結　語

在微電子學發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎研究曾起到非常關鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學的出現(xiàn)、新一代soc的發(fā)展、mems和dna芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創(chuàng)新成果的誕生。

回顧20世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學技術發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術實現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術中擁有自己的知識產(chǎn)權，促進我國微電子 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀中葉將要到來的偉大的民族復興奠定技術基礎，以重鑄中華民族的輝煌！

參考文獻

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[2]bob schaller.the origin,nature and lmplication of“moore’s law”,http///research/barc/gray/moore.law.html.1996.

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[4]nicholas wade where computers and biology meet:making a dna chip.new york times,april 8,1997

第8篇：集成電路設計論文范文

論文摘要：從數(shù)字系統(tǒng)設計的性質(zhì)出發(fā)，結合目前迅速發(fā)展的芯片系統(tǒng)，比較、研究各種硬件描述語言；詳細闡述各種語言的發(fā)展歷史、體系結構和設計方法；探討未來硬件描述語言的發(fā)展趨勢，同時針對國內(nèi)EDA基礎薄弱的現(xiàn)狀，在硬件描述語言方面作了一些有益的思考。

現(xiàn)在，隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)。軟硬件協(xié)調(diào)設計和系統(tǒng)設計變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設計越來越傾向于與系統(tǒng)設計和軟件設計結合。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、cynlib c++等等。究交選擇哪種語言進行設計，整個業(yè)界正在進行激烈的討論。因此，完全有必要在這方面作一些比較研究，為EDA設計做一些有意義的工作，也為發(fā)展我們未來的芯片設計技術打好基礎。

1、目前HDL發(fā)展狀況

目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。雖然各種語言各有所長，但業(yè)界對到底使用哪一種語言進行設計，卻莫衷一是，難有定論。

而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設計流程中實現(xiàn)級和系統(tǒng)級都具有各自的用武之地。問題出現(xiàn)在系統(tǒng)級和實現(xiàn)級相連接的地方：什么時候?qū)⑹褂弥械囊环N語言停下來，而開始使用另外一種語言?或者干脆就直接使用一種語言?現(xiàn)在看來得出結論仍為時過早。

在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者就使用何種設計語言展開了生動、激烈的辯論。各方人士各持己見：為Verilog辯護者認為，開發(fā)一種新的設計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認為，系統(tǒng)級芯片SoC快速增長的復雜性需要新的設計方法；C語言的贊揚者認為，Verilog是硬件設計的匯編語言，而編程的標準很快就會是高級語言，Cynlib c++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Supedog的捍衛(wèi)者認為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進化，而不是一場革命。

當然，以上所有的討論都沒有提及模擬設計。如果想設計帶有模擬電路的芯片，硬件描述語言必須有模擬擴展部分，像Verilog HDL－A，既要求能夠描述門級開關級，又要求具有描述物理特性的能力。

2、幾種代表性的HDL語言

2．1 VHDL

早在1980年，因為美國軍事工業(yè)需要描述電子系統(tǒng)的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發(fā)。1987年。由IEEE(In，stitute of Electrical and Electro－nics Engineers)將VHDL制定為標準。參考手冊為IEEE VHDL語言參考手冊標準草案1076/8版，于1987年批準，稱為IEEE 1076－1987。應當注意，起初VHDL只是作為系統(tǒng)規(guī)范的一個標滯，而不足為設計而制定的。第二個版本是在1993年制定的，稱為VHDL－93，增加了一些新的命令和屬性。

雖然有“VHDL是一個4億美元的錯誤”這樣的說法。但VHDL畢竟是1995年以前唯一制訂為標準的硬件描述語言，這是它不爭的事實和優(yōu)勢；但同時它確實比較麻煩，而且其綜合庫至今也沒有標準化，不具有晶體管開關級的描述能力和模擬設計的描述能力。目前的看法是，對于特大型的系統(tǒng)級數(shù)字電路設計，VHDL是較為合適的。

實質(zhì)上，在底層的VHDL設計環(huán)境是由Verilog HDL描述的器件庫支持的，因此，它們之間的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的兩個國際組織OVI、Ⅵ正在籌劃這一工作，準備成立專門的工作組來協(xié)調(diào)VHDL和Verilog HDL語言的互操作性。OVI也支持不需要翻譯，由VHDL到Verilog的自由表達。

2．2 Verilog HDL

Venlog HDL是在1983年，由GDA(GateWay Design Au－tomation)公司的Phil Moorby首創(chuàng)的。Phil Moorby后來成為Verilog－XL的主要設計者和Cadence公司的第一合伙人。在1984“1985年，Phil Moorby設計出了第一個名為Venlog－XL的仿真器；1986年，他對Verilog HDL的發(fā)展義作出了另一個巨大的貢獻：提出了用于快速門級仿真的XL算法。

隨著Verilog－XL算法的成功，Verilog HDL語言得到迅速發(fā)展。1989年，Cadence公司收購了GDA公司，Verilog HDL語言成為Cadence公司的私有財產(chǎn)。1990年，Cadence公司決定公開Verilog HDL語言，于是成立了OVI(Open Verilog InternaUonal)組織，負責促進Verilog HDL語言的發(fā)展?；赩erilog HDL的優(yōu)越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE標準，即Verilog HDL 1364－1995；2001年了Verilog HDL 1364－2001標準。在這個標準中，加入了Verilog HDL－A標準，使Verilog有了模擬設計描述的能力。

2．3 Superlog

開發(fā)一種新的硬件設計語言，總是有些冒險，而且未必能夠利用原來對硬件開發(fā)的經(jīng)驗。能不能在原有硬件描述語言的基礎上，結合高級語言c、c++甚至Java等語言的特點，進行擴展，達到一種新的系統(tǒng)級設計語言標準呢?

Superlog就是在這樣的背景下研制開發(fā)的系統(tǒng)級硬件描述語言。Verilog語言的首創(chuàng)者Phil Moorby和Peter Flake等硬什描述語言專家，在一家叫Co－Design Automation的EDA公司進行合作，開始對Verilog進行擴展研究。1999年，Co－Design公司了SUPERLOGTM系統(tǒng)設計語言，同時了兩個開發(fā)工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一個用于系統(tǒng)級開發(fā)，一個用于高級驗證。2001年，Co－Design公司向電子產(chǎn)業(yè)標準化組織Accellera了SUPERLOG擴展綜合子集ESS，這樣它就可以在今天Verilog語言的RTL級綜合子集的基礎上，提供更多級別的硬件綜合抽象級，為各種系統(tǒng)級的EDA軟件工具所利用，

至今為止。已超過15家芯片設計公司用Superlog來進行芯片設計和硬件開發(fā)。Superlog是一種具有良好前景的系統(tǒng)級硬件描述語言。但是不久前，由于整個IT產(chǎn)業(yè)的滑坡，EDA公司進行大的整合，Co－Design公司被Synopsys公司兼并，形勢又變得撲朔迷離。

2．4 SystemC

隨著半導體技術的迅猛發(fā)展，SoC已經(jīng)成為當今集成電路設計的發(fā)展方向。在系統(tǒng)芯片的各個設計中，像系統(tǒng)定義、軟硬件劃分、設計實現(xiàn)等，集成電路設計界一直在考慮如何滿足SoC的設計要求，一直在尋找一種能同時實現(xiàn)較高層次的軟件和硬件描述的系統(tǒng)級設計語言。

systemC正是在這種情況下，由Synopsys公司和CoWare公司積極響應目前各方對系統(tǒng)級設計語言的需求而合作開發(fā)的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、lP公司、半導體公司和嵌入式軟件公司宣布成立“開放式SystemC聯(lián)盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了systemC聯(lián)盟。SystemC從1999年9月聯(lián)盟建立初期的0.9版本開始更新，從1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2，0版。

3、各種HDL語言的體系結構和設計方法

3．1 SystemC

實際使用中，systemc由一組描述類庫和一個包含仿真核的庫組成。在用戶的描述程序中，必須包括相應的類庫，可以通過通常的ANSI c++編譯器編譯該程序。SystemC提供了軟件、硬件和系統(tǒng)模塊。用戶可以在不同的層次上自由選擇。建立自己的系統(tǒng)模型，進行仿真、優(yōu)化、驗證、綜合等等。

3．2 Supeflog

Superlog集合了Verilog的簡潔、c語言的強大、功能驗證和系統(tǒng)級結構設計等特征，是一種高速的硬件描述語言。

①Verilog 95和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新的Verilog 2K的硬件模型。

②c和c++語言。Superlog提供c語言的結構、類型、指針，同時具有C++面對對象的特性。

③Superlog擴展綜合子集ESS。ESS提供一種新的硬件描述的綜合抽象級。

④強大的驗證功能。自動測試基準，如隨機數(shù)據(jù)產(chǎn)生、功能覆蓋、各種專有檢查等。

Superlog的系統(tǒng)級硬件開發(fā)工具主要有Co－Design Au－mmation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同時可以結合具它的EDA工具進行開發(fā)。

3．3 Verilog和VHDL

這兩種語言是傳統(tǒng)硬件描述語言，有很多的書籍和資料叫以查閱參考，這里不多介紹。

4、目前可取可行的策略和方式

按傳統(tǒng)方法，我們將硬件抽象級的模型類型分為以下五種：

(1)系統(tǒng)級(system)－用語言提供的高級結構實現(xiàn)算法運行的模型：

(2)算法級(aIgorithm)－用語言提供的高級結構實現(xiàn)算法運行的模型：

(3)RTL級(Register Transfer Level)－描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動的模型。

(4)門級(gate－level)－描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型。

(5)開關級(swish－level)－描述器件中三極管和存儲節(jié)點以及它們之間連接的模型。

根據(jù)目前芯片設計的發(fā)展趨勢。驗證級和綜合抽象級也有可能成為一種標準級別。因為它們適合于IP核復用和系統(tǒng)級仿真綜合優(yōu)化的需要，而軟件(嵌入式、固件式)也越來越成為一個和系統(tǒng)密切相關的抽象級別。

目前，對于一個系統(tǒng)芯片設計項目，可以采用的方案包括以下幾種：

①最傳統(tǒng)的辦法是，在系統(tǒng)級采用VHDL，在軟件級采用c語言，在實現(xiàn)級采用Verilog。目前，VHDL與Verilog的互操作性已經(jīng)逐步走向標準化，但軟件與硬件的協(xié)凋設計還是一個很具挑戰(zhàn)性的工作。因為軟件越來越成為SOC設計的關鍵。該力案的特點是：風險小，集成難度大，與原有方法完全兼容，有現(xiàn)成的開發(fā)工具：但工具集成由開發(fā)者自行負責完成。

②系統(tǒng)級及軟件級采用Superlog，硬件級和實現(xiàn)級均采用Verilog HDL描述，這樣和原有的硬件設計可以兼容。只要重新采購兩個Superlog開發(fā)工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。該方案特點是風險較小，易于集成，與原硬件設計兼容性好。有集成開發(fā)環(huán)境。

③系統(tǒng)級和軟件級采用SystemC，硬件級采用SystemC與常規(guī)的Verilog HDL互相轉(zhuǎn)換，與原來的軟件編譯環(huán)境完全兼容。開發(fā)者只需要一組描述類庫和一個包含仿真核的庫，就可以在通常的ANSI c++編譯器環(huán)境下開發(fā)；但硬件描述與原有方法完全不兼容。該方案特點是風險較大，與原軟件開發(fā)兼容性好，硬件開發(fā)有風險。

5、未來發(fā)展和技術方向

微電子設計工業(yè)的設計線寬已經(jīng)從0.251um向0.18um變遷，而且正在向0.13um和90nm的目標努力邁進。到0.13um這個目標后，90％的信號延遲將由線路互連所產(chǎn)生：為了設計工作頻率近2GHz的高性能電路，就必須解決感應、電遷移和襯底噪聲問題(同時還有設計復雜度問題)。

未來幾年的設計中所面臨的挑戰(zhàn)有哪些?標準組織怎樣去面對?當設計線寬降到0.13um，甚至更小尉，將會出現(xiàn)四個主要的趨勢：設計再利用；設計驗證(包括硬件和軟什)；互連問題將決定剝時間、電源及噪聲要求；系統(tǒng)級芯片設計要求。

滿足來來設計者需要的設計環(huán)境將是多家供應商提供解決方案的模式，因為涉及的問題面太廣且太復雜，沒有哪個公司或?qū)嶓w可以獨立解決。實際上，人們完全有理由認為，對下一代設計問題解決方案的貢獻，基礎研究活動與獨立產(chǎn)業(yè)的作用將同等重要。

以后EDA界將在以下三個方面開展工作。

①互用性標準。所有解決方案的基礎，是設計工具開發(fā)過程的組件一互用性標準。我們知道。EDA工業(yè)采用的是工業(yè)上所需要的標準。而不管標準是誰制定的。但是，當今市場的迅速發(fā)展正在將優(yōu)勢轉(zhuǎn)向那些提供標準時能做到快速適應和技術領先的組織。處于領先的公司正在有目的地向這方面投資，那些沒有參加開發(fā)這些標準的公司則必須獨自承擔風險。

第9篇：集成電路設計論文范文

關鍵詞: RSA;模乘運算;模冪運算;可重構設計

中圖分類號:TP339 文獻標識碼:A

Reconfigurable Design and Implementation of RSA Algorithm

WU Bin-shan,WANG Yun-feng,LIU Zhi-chao,LIU Tian-xiang

(Department of Electronic Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract: In this paper, the implementation and reconfigurable feature of RSA cryptographic algorithm are analyzed. On the basis of the Reconfigurable design of the Modular Multiplication and Modular Exponentiation, we propose the reconfigurable RSA hardware architecture, which is able to fit 256bit, 512bit, 1024bit, 2048bit four applications of different key length. The RSA reconfigurable design and testing were carried out to achieve results, which show that in the worst case, 2048bit RSA get the data throughput achieved 46 kb/s when work in the 200MHz clock. It is able to meet the high-performance information security systems RSA encryption algorithm on the speed requirement.

Keywords: RSA; Modular Multiplication; Modular Exponentiation; Reconfigurable Design

1引言

隨著計算機網(wǎng)絡的普及與發(fā)展,信息安全問題顯得格外重要。以RSA密碼算法[1]為代表的公鑰密碼體制[2]在保證數(shù)據(jù)的機密性、完整性以及簽名和認可等方面的突出優(yōu)點己經(jīng)使其成為當今網(wǎng)絡安全中最重要的解決方法,相應的密碼芯片在網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用。

目前,大多數(shù)密碼芯片是實現(xiàn)一種固定密碼算法的專用芯片,不能滿足用戶們的不同層次的安全性能和預留密碼算法升級空間的要求。因此,近年來國內(nèi)外許多機構和個人都致力于可重構密碼芯片設計的研究[3~6]?？芍貥嬅艽a芯片是采用可重構體系結構設計而成的用于對數(shù)據(jù)進行加/解密處理的集成電路芯片。其內(nèi)部邏輯電路可以根據(jù)不同密碼算法的需求重新組織,構成不同的電路結構,實現(xiàn)不同的功能,從而能夠靈活、快速地實現(xiàn)多種不同密碼算法[3]。

本文在設計RSA算法實現(xiàn)時,綜合考慮密鑰長度、安全性、性能、面積等因素,在對模冪和模乘運算模塊進行了可重構設計的基礎上,提出了一種可重構RSA算法結構,在增加很少邏輯單元的情況下,使其能夠適配256bit,512bit,1024bit和2048bit四種密鑰長度的RSA算法應用,滿足不同層次安全性的信息系統(tǒng)的需要。FPGA的原型實現(xiàn)和驗證結果表明,該設計能夠滿足高性能信息安全系統(tǒng)對于公鑰密碼加密速度的要求,可以作為可重用IP,用于信息安全SoC設計。

2RSA算法

RSA密碼算法的明文空間M與密文空間C相等,為Zn(表示mod n所組成的整數(shù)空間,取值范圍為0~n-1)。

RSA算法描述如下[1]:

(1)選擇兩個互異的大素數(shù)p和q(保密),計算n=p?q(公開),φ(n)=(p-1)?(q-1)(保密),選擇一個隨機數(shù)e(0

(2)已知:明文M

計算密文:C=Me mod n

(3)已知:密文C和私鑰KR={d,n}。

計算明文:M=Cd mod n

3RSA算法實現(xiàn)與可重構分析

大數(shù)模冪運算是RSA公鑰密碼算法的核心運算,實現(xiàn)時可以利用模運算的基本性質(zhì):[(a mod N)×(b mod N)mod N]=(a×b)mod N, 把模冪運算的中間結果對n取模,從而限制了中間結果的大小,實現(xiàn)更加容易。

3.1 模冪運算算法

本文模冪采用是左到右二進制位掃描算法。首先應該把指數(shù)e或者d表示成如下二進制形式:

e=[e■,e■,...e■]■=■e■2■=e■+e■2+...+e■2■

然后從e或者d的最高位掃描到最低位。

輸入:m,e,N

輸出:c =me mod N

{ c =1;

for i =n-1 to 0 do

{ c =(c?c)mod N;

If (ei =1)c =(m?c)mod N ;

}

return C;

}

由于算法同一次循環(huán)運算中的兩次模乘運算數(shù)據(jù)相關,所以必須順序處理,不能并行運算;但硬件實現(xiàn)時只需一個模乘運算單元,實現(xiàn)面積小。

3.2模乘運算算法

模乘模塊是左到右二進制位掃描模冪算法的主要運算單元,本文選擇基于2的Montgomery算法[7-8]實現(xiàn)模乘運算。

基于2的Montgomery算法如下:

記S=Monprod(A,B,N)。其中:A=Σ■■ A■?2i,B=Σ■■ B■?2i,N=Σ■■ N■?2i,Ai ,Bi ,Ni∈{1,0},AK+1,AK+2=0

輸入:A,B,N

輸出:S=Monprod(A,B,N)=(A?B?2-(K+2))mod N

{S =0 ;

for j =0 to K+2 do

{ if (S0=1) then S =S +N;

S =(S /2)+Aj ?B;

}

return S;

}

該算法主要由2個大數(shù)的加法組成。為了保證計算結果S小于N,該算法的循環(huán)要執(zhí)行K+3次[9],因此輸出的結果是(A?B?2-(K+2))mod N。

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3.3 由Montgomery算法構造的從左到右二進制掃描位掃描法

由于Montgomery算法的結果并不是(A×B)modN,而是(A?B?2-(K+3))mod N。所以必須對從左到右二進制位掃描法進行修改,首先,必須先進行一次預處理步驟,分別計算C =Monprod(1,R,N)和M2=Monprod(M,R,N),其中R為與N相關的常數(shù),R =22(n +3)mod N。其次,算法結束后再進行一次后處理步驟,計算C =Monprod(1,C,N),這樣就可以消除模乘運算結果中多余的參數(shù)。具體算法如下:

輸入:M,e,N,R

輸出:C =Me mod N

{

M 2=Monprod(M,R,N)

C =Monprod(1,R,N)

for i=n-1to 0 do

{

C =Monprod(C,C,N);

If (ei=1) C =Monprod(C,M 2,N) ;

}

C =Monprod(1,C,N)

return C;

}

3.4 可重構性分析

可重構設計以軟件編程的方式快速靈活的實現(xiàn)不同硬件電路,克服了軟件和硬件實現(xiàn)各自的不足,可以比軟件實現(xiàn)有著更好的性能,同時比硬件實現(xiàn)更具有靈活性?？芍貥嬆K包含許多可由外部編程控制的計算單元,這些單元由一些可配置連線資源連接著,可以通過對連線資源的改變來形成需要的不同電路。

通過對模冪和模乘運算算法分析可知,不同密鑰長度的RSA算法的主要部件大數(shù)加法運算模塊是可重用部件,而差別主要是在模冪運算的循環(huán)次數(shù)n、ei的起始位ex和模乘算法的循環(huán)次數(shù)(K+3)。因此可以以大數(shù)加法運算模塊為重構元素進行可重構設計,設置n、K+3和ex為可控節(jié)點,通過輸入信號對可控節(jié)點進行可編程控制。例如:當密鑰長度為1024的時候,選擇n為1024、 ex為e[1023]、K+3為1027; 而當密鑰長度為2048的時候,選擇n為2048、ex為e[2047]、K+3為2051。

4RSA算法可重構設計

基于模冪、模乘模塊的可重構性,本文提出了一種可以根據(jù)密鑰長度的不同進行可重構的RSA算法實現(xiàn)結構,結構框圖如圖1所示,分為模乘模塊(包括模乘控制器和模乘運算單元)、模冪模塊、存儲模塊三個部分。

圖1中各個信號的定義如表1所示。

4.1 模乘模塊

模乘模塊包括模乘運算單元和模乘控制單元。實現(xiàn)模乘的主要運算是大數(shù)的加法。可重構RSA算法的最長密鑰長度是2048bit,所以模乘運算模塊為2048位。由于2048位的加法是循環(huán)進行的,使用進位保留加法器CSA(carry saved adder)是很好的解決方案[10]。CSA將加法結果的和數(shù)和進位分別用S和C表示,即進位用C保留下來,作為下一次加法的進位輸入。一個一位全加器中,輸入 A、B是被加數(shù),輸入C是上次加法保留的進位。一個k位的CSA是由k個1位全加器并行組成的,如圖2所示。

第i位的結果Si和Ci +1同輸入之間的關系為:

Si =Ai ?茌Bi ?茌Ci ;

Ci+1=Ai Bi +Ai Ci +Bi Ci 。

CSA加法器的特點是不會隨著位數(shù)的增加而產(chǎn)生冗長的進位鏈,這樣既能提高速度,又簡化了硬件結構。

由CSA構造的模乘運算單元如圖3所示。用兩個CSA加法器來實現(xiàn)模乘運算中的兩次加法。

在模乘算法循環(huán)結束后需要將兩個2048bit的數(shù)相加得到結果。使用一個32位的CPA(carry propagation adder)將2048bit位的加法分成64個時鐘周期完成,CPA的運算結果就是模乘運算的最終結果。CPA加法器的結構如圖4所示。

模乘控制單元主要由計數(shù)器來實現(xiàn),不同密鑰長度的RSA算法的模乘循環(huán)次數(shù)不一樣,完成一次循環(huán)需要一個運算周期,所以計數(shù)器的初始載入值也不一樣。可重構RSA算法實現(xiàn)由外部輸入信號keysize對初始載入值的選擇進行控制。初始載入值為密鑰長度加上67(3次增加的循環(huán)次數(shù)和64個CPA加法周期)。例如,當keysize為“00”時,初始載入值為323;當keysize為“01”時,初始載入值為579。每完成一次循環(huán),計數(shù)器減一。當計數(shù)器為零的時候,表示模乘運算完成。

4.2 模冪模塊

模冪模塊主要功能是控制模乘模塊的循環(huán)運算。對模冪模塊的可重構設計主要包括對模乘運算循環(huán)次數(shù)和密鑰的控制。由Montgomery構造的從左到右二進制掃描位掃描法硬件結構圖如圖5所示。

每個輸入都有經(jīng)過相應位數(shù)的寄存器。第一次模乘運算(預運算M 2=Monprod(M ,R ,N))結束后,結果存在M-reg中,以備下次使用。第二次模乘運算(預運算 C =Monprod(1 ,R ,N)))結束后,結果存在rrmodn-reg中。接下來每次循環(huán)模乘運算的結果都存入rrmodn-reg中。后處理結束后,rrmodn-reg中就是模冪運算的結果。

e_reg用來存儲密鑰。當load有效時,將外部密鑰載入e_reg中。當shift_en有效時,e_reg開始由低位向高位進行位移。具體結構圖如圖6所示。

e_reg的輸出有4位,分別為e_reg的第256、512、1024、2048位,這四位輸入一個四選一選擇器,由key_seze來選擇哪位做為輸出。

模冪運算控制模塊主要是由計數(shù)器來實現(xiàn)。不同密鑰長度的RSA算法的模冪循環(huán)次數(shù)不一樣,所以計數(shù)器的初始載入值也不一樣。初始值為密鑰長度加上3(2次預處理和1次后處理模乘運算)。每執(zhí)行完一次模乘運算,計數(shù)器就減一,e_reg也進行一次移位,當計數(shù)器的值為零時,就表示所有模乘運算都完成,rrmodn-reg中就是模冪運算的結果了。

對于n位的輸入,這種設計要對輸入密鑰進行n次掃描,每次掃描需要做一次或者兩次模乘,同時,在掃描之前要進行預處理,需要做兩次模乘,掃描之后要進行后處理,需要做一次模乘,每做一次模乘需要n+3+64個時鐘周期。所以,在最壞情況下,加密需要(2n+3)*(n+3+64)個時鐘周期,當n為2048時,需要8.67M個時鐘周期。

5性能分析

兩種設計方法可以實現(xiàn)采用固定密鑰長度的RSA算法結構所設計的電路同時適配256bit、512bit、1024bit、2048bit四種不同密鑰長度的應用。第一種方法是電路包含256bit、512bit、1024bit、2048bit四種不同密鑰長度的固定密鑰長度RSA密碼算法結構;第二種方法是采用2048bit的固定密鑰長度RSA算法結構。前一種方法浪費資源,后一種方法處理數(shù)據(jù)速度慢。

論文采用FPGA對可重構RSA算法結構進行了原型實現(xiàn)與驗證,與采用類似結構實現(xiàn)的固定密鑰RSA算法所占資源、最高時鐘頻率如表2所示。

采用第一種設計方法所占資源為四種固定密鑰長度RSA結構之和,即邏輯單元為43308,存儲單元為48348;而可重構RSA使用了22897個邏輯單元和24807比特存儲單元,節(jié)約了47%的邏輯單元和48%的存儲單元。

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采用可重構RSA與采用第二種設計方法(即使用2048bit固定密鑰長度)分別應用于256bit、512bit、1024bit、2048bit密鑰長度系統(tǒng)時的數(shù)據(jù)吞吐量如表3所示,當應用于256bit、512bit、1024bit密鑰長度應用時,采用可重構RSA結構性能更優(yōu)。

6小結

本文提出并實現(xiàn)了一種使用較少硬件資源的能夠適配256bit,512bit,1024bit和2048bit四種密鑰長度的可重構RSA算法結構,適配不同密鑰長度RSA算法應用,能夠更好的滿足不同層次安全性的信息系統(tǒng)的需要。

參考文獻

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[10] T-W Kwon , et al . Two implementation methods of a 1024 bit RSA cryptoprocesor based on modified Montgomery algorithm[A] . Proceed-ings of the 2001 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2001) [C].New York: IEEE press,2001,4 :650-653.

作者簡介

伍彬山,廈門大學電子工程系在讀碩士研究生,研究方向:集成電路設計與應用;

王云峰,講師,廈門大學電子工程系碩士研究生導師;

劉智超,廈門大學電子工程系在讀碩士研究生,研究方向:集成電路設計與應用;