《VLSI设计基础》教材简介

VLSI设计基础

主编姓名:李伟华

出版时间:2002年10月

出版单位:电子工业出版社

教材形式:文字教材

适用层次:本科

适用专业:工学

作者简介:

1988年东南大学微电子学与固体电子学专业硕士毕业，在微电子技术领域从事科研与教学工作多年，先后开设与讲授本科、硕士研究生与博士研究生课程“集成电路CAD技术”、“模拟集成电路分析与设计”、“集成电路计算机辅助设计”、“专用集成电路”、“VLSI设计基础”、“VLSI系统设计”、“计算微电子学”等。出版教材《VLSI设计基础》与《微电子器件设计》，翻译英文教材《集成电路版图基础》、参加翻译专著《微系统设计》，编写本科课程讲义《集成电路CAD技术》、《专用集成电路及其结构设计》等4本，实验指导讲义1本。主持教学改革项目3项，参加教改项目多项，获得多项校教学奖励。

主持或参加多项国家与部委科研项目研究，其中，国家“863”项目6项、自然基金项目1项、武器装备预研基金项目1项、教育部重大项目1项、教育部重点项目1项、总装备部研究项目2项。还主持或参加完成多项与企业合作或委托研究项目。为主申请并授权或受理国家发明专利“电子地理信息定位方法与装置”、“纵向多面栅金属—氧化物—半导体场效应晶体管及其制造方法”等10项，授权实用新型专利3项。发表的研究论文被SCI及EI收录十多篇，2项开发产品上市销售与推广应用。2007年获得教育部自然科学一等奖1项。

教材简介:

《VLSI设计基础》已被列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材。本教材于2002年10月由电子工业出版社出版，截至2005年9月已出版印刷9000册。

教材在内容组织上注重基础知识，注重先进技术，注重各部分内容的逻辑关系，力求使学生通过本教材的学习，对VLSI的相关技术有一个比较全面的了解，对VLSI所涉及的方方面面有一个基本认识。在注重基础方面，教材侧重的是基本理论的有关结论、设计规则以及这些结论和规则在设计方面的应用；在注重先进技术方面，教材注意组织先进的结构、先进的方法、先进的设计手段等内容；在注重各部分内容的逻辑关系方面，注意几个结合:器件与逻辑/电路的结合，工艺与逻辑/电路设计的结合，电路与版图的结合，单元模块与系统的结合。

教材共分为四个部分:第一部分（第1～3章）在介绍了VLSI设计所涉及的主要的基本问题的基础上，重点介绍了MOS晶体管基础、工艺基础和有关的基本逻辑电路的设计基础。第二部分（第4～7章）主要介绍了VLSI设计方法和手段以及在VLSI设计中所需考虑的测试问题与相关技术，其中，第6章通过对微处理器主要模块设计的介绍，对第4、第5两章所介绍的设计技术进行了综合。第三部分（第8章）介绍了在VLSI中的模拟集成电路单元的设计。第四部分（第9～10章）介绍了现代设计技术中的两个重要内容:硬件描述语言和设计系统。

本教材的适用范围比较宽泛，可以作为电子科学与技术专业的本科教材，也可以作为微电子专业的硕士生以及工程硕士的专业教材，同时，对于从事微电子技术工程的技术人员也是一本有用的参考书。

教材的主要特色与创新点:

1.教材的特色在于兼顾了专业技术问题的系统性、基础性、相关性，深入浅出地对VLSI及相关技术基础进行了较全面的介绍。在教材内容的组织中结合VLSI实际问题，根据系统信号链的组织、根据工程实践问题与要求、根据VLSI设计的基本理念与方法、根据各相关部分的逻辑关系与内在联系，从发展的角度、规律性的认知出发，全面地、系统地介绍基本理论、基本方法、基本技术，真正以设计基础内容为对象，以VLSI问题为主线，在VLSI这个大纲下将其所涉及的各个方面组织到一起，成为综合性的基础教材。

2.教材的主要创新点在于建立了教学内容的新体系。将相关的大量技术信息进行浓缩、提炼，保留必要的内容，压缩可选内容，去除冗余内容，在对大量的信息进行浓缩的同时，提炼、抽象技术所对应的技术思想，以传授思想方法取代冗长的推理、推导、演算、技术细节等内容，同时，大纲体系完整、科学，符合通识教育要求。将重点和难点内容以直观、简洁的形式表现出来，同时加强重点、难点的练习，使非微电子专业的本科生也能通过学习本教材了解和掌握有关的设计基础知识，使微电子专业的本科生能够深入地了解相关设计理论，提高设计实践能力。主要创新点可归结为以下三点:

（1）建立了VLSI教学内容的新体系。

（2）主干知识和延伸知识有机结合。

（3）重点、难点与系统设计知识的点面结合。

教材使用情况:

《VLSI设计基础》教材除东南大学使用外，据了解，目前还有部分国内高校也使用该书作为教材。截至2005年9月（06、07年印刷情况不详），《VLSI设计基础》三年累计印刷9000册。其中东南大学每年约需要300册左右，三年累计约900册，占总印数的10%左右，其他作为教材或作为参考，得到较为广泛的使用。

通过了解和网络搜索，除东南大学外，国内有十多所院校将该书作为教材使用，例如:电子科大、西安交大、上海电力学院、桂林电子科大、宁波大等高校的微电子专业、信息工程、计算机与信息工程专业。该书被更多的高校作为本科课程主要参考书。另外，四川大学、解放军信息工程大学等高校将其作为硕士研究生入学考试的参考书。估计每年用书量在2000册左右。

该教材对于国内学习微电子或相关学科的学生以及从事微电子电路设计的技术人员具有学习、参考和使用的价值，实践表明教材具有很好的适用性，取得了较好的社会效益。从网络上还可以看到许多网络书店都在推荐该书。

教材建设总结:

教材建设与课程建设是紧密相关的。《VLSI设计基础》的出版也是为了适应课程建设而编撰的。本课程的建设得到了东南大学教学改革基金的支持。

1.课程的设置考虑

在国内，由于历史的原因，有关大规模集成电路设计的本科生课程仅仅在微电子专业开设，并且有一系列的配套课程，如工艺、器件、电路、系统以及集成电路计算机辅助设计等技术基础课程，构成一套完整的教学体系，过于专业化。另一方面，有关大规模集成电路应用的教学，主要是教授常规集成电路的应用，难以涉及利用集成电路的设计方法优化系统设计。这样的分离式地教学体系，如不进行改革、不对课程体系进行调整、不将大规模集成电路设计与应用有机地结合，培养出来的人才很难适应当今电子系统的设计需求。

鉴于国内大规模集成电路教学体系与国家对人才与知识结构的需求之间的矛盾，必须对该课程体系进行较大的改革。以现有的课程结构和教学力量为基础，根据人才培养要求，依据科学体系与教学规律，制订科学的、系统的教学大纲，建立科学、合理、合适的课程体系，配置系统完整、内容适用、结构合理的教学内容，配备合适、有益的教学辅助实验，采用现代、科学、生动的教学手段，建立起面向21世纪的电子与电气信息类专业大规模集成电路设计工程教育体系。

作为课程设置的最重要的考虑之一是授课对象，本课程的授课对象将是我校弱电相关专业的本科生。在99级本科教学计划制订时，将“VLSI设计基础”课程作为一门跨学科选课课程进行设置，其目的是为了让我们的相关专业学生能够拓宽知识面，为将来适应多学科交叉应用与研究打下基础。

跨二级学科选修课是一个全新的课题，我们面对的是具有不同专业背景的本科生，虽然，他们已学过一些基本的电路理论和相关知识，但就具体课程的具体内容而言，这样的基础显然是不够的。如何组织课程内容、如何深入浅出地把有关知识教授给学生，这是需要我们认真研究的问题。既要具有科学性、系统性、先进性；又要把握深度和难度，既要介绍最新的技术，又要传授最基本的基础知识。

2.“VLSI设计基础”教学内容和教材建设

对于“VLSI设计基础”课程，我们确定的思路是:采用最简单的技术实现最复杂的系统，这也正是VLSI系统设计的基本思想。

考虑到宽口径的要求和学生的实际基础，我们在制订教学大纲时将课程的立足点放在与VLSI设计技术相关的基本思想、基本方法、基本理论方面。

在完成了课程大纲的基础上，接下来的工作是组织教材内容单元，编撰与课程大纲所匹配的教材。国内有关大规模集成电路设计的教材与教学体系，主要是面向微电子技术专业的专门内容，并且配套相关的工艺、器件、电路、系统以及集成电路计算机辅助设计等技术基础课程，过于专业化且体系庞大，内容也过于细化。电子工程系现有超大规模集成电路课，需要三门技术基础课做支持，即“集成电路工艺”、“微电子器件原理”和“半导体集成电路原理”。这种体系显然不能适应电子与电气类本科生的宽口径培养要求。

在参考国内外最新的教材和相关资料基础上，根据多年从事微电子领域科研所积累的经验、成果和体会，总结多年来我在本学科VLSI设计技术教学的教学实践，我编写了教材大纲，构建了教材的结构体系。在充分征求有关教师的意见的前提下，开始编写讲义《VLSI设计基础》。讲义共分四个部分:MOS晶体管、逻辑器件结构和工艺基础；VLSI设计的主要技术；VLSI中的模拟单元与A/D、D/A变换单元；硬件描述语言与设计系统。第一部分是设计的主要基础知识，第二部分则主要讨论VLSI的设计思想与主要技术方法以及基础知识的应用，第三部分介绍系统集成中的模拟单元与变换接口，第四部分介绍设计支持环境与技术。在讲义编写的过程中，我在其他相关课程上对有关的章节进行了试用。在边编写、边试用、边修改的过程中，2001年底完成了讲义的第一稿。

在考虑教材内容的深度与广度的关系时，我选择了金字塔型的组织结构，对于顶层的内容即系统级的设计内容侧重在设计系统中自动设计部分，相对篇幅比较小，对于底层的内容即基础部分则介绍的比较多、比较广，但不涉及或少涉及复杂的器件物理的内容，尽量以直观和定性的方式介绍技术基础。

在MOS晶体管、逻辑器件结构和工艺基础部分介绍了MOS器件的基本结构、工作原理、主要的电特性；介绍基本逻辑门的设计方法和组合逻辑门的设计方法，并将这些逻辑结构与基本倒相器进行联系，说明复杂逻辑是如何与最简单的逻辑进行对应的，通过举例说明具体MOS管尺寸的计算方法；介绍MOS工艺的基本技术与基本的物理概念，通过一个CMOS的工艺流程将基本工艺串联起来，通过一个简单的倒相器的版图设计将工艺与版图与器件的实现联系起来。

在模拟集成电路单元与变换单元的介绍中，侧重点在基本电路结构，通过电路结构的连续变化方式，讨论电路结构与性能之间的关系，说明如何从最基本的器件端口特性到电路特性进行联系以及对应关系。

在VLSI的主要实现技术的介绍中强调了两点:规则结构实现复杂系统；内部规则结构设计方法与通讯端口的完善设计方法。VLSI的主体结构采用简单规则的阵列形式是当今VLSI的主要设计结构，在教材中重点介绍了目前采用的主要技术，并试图通过各种结构的介绍使学生能够了解并掌握VLSI设计的基本理念。考虑到复杂性和性能的优化，在当今的VLSI设计中广泛地采用内部结构与外部端口分别设计的方法。通讯端口（I/O单元）采用完善的设计结构，教材中花了较大的篇幅讨论I/O单元在功能和性能以及版图设计方面的考虑。

在介绍基本设计技术的基础上，在教材中通过微处理器中各组成单元的设计介绍，对有关的器件、逻辑、单元、版图的基础知识进行了综合，力图使学生了解如何将VLSI设计的基础知识应用到具体的系统实际中。

版图是集成电路设计中的一个关键环节，相比之下也是比较复杂和较难理解的部分，在多年的科研实践中，我深深地认识到版图设计与理解的困难。因此，在介绍器件结构的初始，我就将版图设计内容引入，由浅入深地逐渐将版图细化、深化。版图设计内容贯穿了整个教材，从基本的晶体管版图到模拟集成电路版图的设计，从最简单的器件版图到细致、精确的版图考虑。

在顶层设计技术方面则主要介绍了硬件描述语言和设计系统结构，使学生了解VLSI系统设计中所采用的主要设计方法与技术。

教材在内容组织上注重基础知识，注重先进技术，注重各部分内容的逻辑关系，力求使学生通过本教材的学习，对VLSI的相关技术有一个比较全面的了解，对VLSI所涉及的方方面面有一个基本认识。