VLSI设计基础授课教师

单伟伟，副教授、博士生导师。2009年1月毕业于清华大学微电子学研究所，获工学博士学位。

黄见秋，东南大学副教授。2004年于东南大学获学士学位，2011年在东南大学获博士学位并留校任教。

刘新宁，东南大学讲师，主要从数字低功耗电路研究，有5年以上VLSI课程教学经验。

杨军，东南大学教授，博士生导师。

2019年1月8日，该课程被中华人民共和国教育部认定为“2018年国家精品在线开放课程”。

VLSI设计基础预备知识

学习VLSI设计基础课程，学习者需要具备一定的半导体原理和器件知识，必须具备一定的电路知识基础。

VLSI设计基础学习资料

（注：表格内容参考资料）

通过学习VLSI设计基础课程，了解VLSI系统设计的方法与技术；掌握MOS器件的基本结构、模型与特性，掌握基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路的原理；了解半导体工艺基本过程；认识集成电路的基本版图；掌握集主要的成电路设计技术，建立系统集成和系统模块化设计的思想。具备开展集成电路设计的基础知识和基本方法。

（注：课程大纲排版从左到右列）

VLSI设计基础课程教学内容为超大规模集成电路设计的基础理论与基本方法，从CMOS集成电路的主流技术介绍入手引入VLSI设计主要技术基础：CMOS器件基础，组合逻辑电路，时序逻辑电路，存储器设计和。主要内容如下：第一章：VLSI设计概述，了解VLSI系统设计的方法与技术。第二章：MOS晶体管原理：掌握MOS器件的基本结构、模型与特性，了解集成电路制造工艺过程。第三章：反相器和组合逻辑电路，掌握CMOS反相器和组合逻辑电路分析与设计方法。第四章：时序逻辑电路和同步设计技术；第五章：设计与工艺接口，了解设计与工艺的关系及接口。第六章：单元库设计技术，掌握标准单元和IO的设计，建立系统模块化设计的思想；认识集成电路的基本版图。第七章：存储器设计。第八章：低功耗专题。

（表格内容参考资料）

VLSI设计基础课程适合电子和计算机相关专业的本科生和研究生，也适合工作后需要重温专业基础知识的工程师。

VLSI设计基础课程背景

集成电路（IntegratedCircuit）在人们的数字化生活中无处不在，是大部分电子产品运行的核心，而其中大部分是超大规模集成电路（VLSI）。遵循着“摩尔定律”，其集成度、功能和性能的大幅度提升，创造了空前的奇迹。在此背景下，东南大学开设了VLSI设计基础课程，带领学习者进入到超大规模集成电路的设计领域，了解其背后的原理。

VLSI设计基础课程定位

VLSI设计基础课程课是微电子专业的主干课程，专注于超大规模集成电路的设计技术。

本教材为“普通十一五国家级规划教材”，全书共有10章。第1~3章重点介绍了VLSI设计的大基础，包括三个主要部分：信息接收、传输、处理体系结构及与相关硬件的关系。第4~6章介绍了数字VLSI设计的技术与方法。第7章介绍了数字系统的测试问题和可测试性设计技术。第8章介绍了VLSI中的模拟单元和变换电路的设计技术。第9章介绍了微机电系统（MEMS)及其在系统集成中的关键技术。第10章主要介绍了设计系统、HDL，对可制造性设计（DFM)的一些特殊问题进行了讨论。

第1章 VLSI设计概述

1.1 系统及系统集成

1.1.1 信息链

1.1.2 模块与硬件

1.1.3 系统集成

1.2 VLSI设计方法与管理

1.2.1 设计层次与设计方法

1.2.2 复杂性管理

1.2.3 版图设计理念

1.3 VLSI设计技术基础与主流制造技术

1.4 新技术对VLSI的贡献

1.5 设计问题与设计工具

1.6 一些术语与概念

1.7 本书主要内容与学习方法指导

练习与思考一

第2章 MOS器件与工艺基础

2.1 MOS晶体管基础

2.1.1 MOS晶体管结构及基本工作原理

2.1.2 MOS晶体管的阈值电压VT

2.1.3 MOS晶体管的电流—电压方程

2.1.4 MOS器件的平方律转移特性

2.1.5 MOS晶体管的跨导gm

2.1.6 MOS器件的直流导通电阻

2.1.7 MOS器件的交流电阻

2.1.8 MOS器件的最高工作频率

2.1.9 MOS器件的衬底偏置效应

2.1.10 CMOS结构

2.2 CMOS逻辑部件

2.2.1 CMOS倒相器设计

2.2.2 CMOS与非门和或非门的结构及其等效倒相器设计方法

2.2.3 其他CMOS逻辑门

2.2.4 D触发器

2.2.5 内部信号的分布式驱动结构

2.3 MOS集成电路工艺基础

2.3.1 基本的集成电路加工工艺

2.3.2 CMOS工艺简化流程

2.3.3 Bi-CMOS工艺技术

2.4 版图设计

2.4.1 简单MOSFET版图

2.4.2 大尺寸MOSFET的版图设计

2.4.3 失配与匹配设计

2.5 发展的MOS器件技术

2.5.1 物理效应对器件特性的影响

2.5.2 材料技术

2.5.3 器件结构

练习与思考二

第3章 设计与工艺接口

3.1 设计与工艺接口问题

3.1.1 基本问题——工艺线选择

3.1.2 设计的困惑

3.1.3 设计与工艺接口

3.2 工艺抽象

3.2.1 工艺对设计的制约

3.2.2 工艺抽象

3.3 电学设计规则

3.3.1 电学规则的一般描述

3.3.2 器件模型参数

3.3.3 模型参数的离散及仿真方法

3.4 几何设计规则

3.4.1 几何设计规则描述

3.4.2 一个版图设计的例子

3.5 工艺检查与监控

3.5.1 PCM（Process Control Monitor）

3.5.2 测试图形及参数测量

本章结束语

练习与思考三

第4章 晶体管规则阵列设计技术

4.1 晶体管阵列及其逻辑设计应用

4.1.1 全NMOS结构ROM

4.1.2 ROM版图

4.2 MOS晶体管开关逻辑

4.3 PLA及其拓展结构

4.3.1 “与非—与非”阵列结构

4.3.2 “或非—或非”阵列结构

4.3.3 多级门阵列(MGA)

4.4 门阵列

4.4.1 门阵列单元

4.4.2 整体结构设计准则

4.4.3 门阵列在VLSI设计中的应用形式

4.5 晶体管规则阵列设计技术应用示例

练习与思考四

第5章 单元库设计技术

第6章 微处理器

第7章 测试技术和可测试性设计

第8章 模拟单元与变换电路

第9章 微机电系统（MEMS）

第10章 设计系统与设计技术

结束语

参考文献

总体布线是VLSI物理设计中极为重要的一个环节。非曼哈顿结构的提出为物理设计带来诸多性能的提高，但该结构的引入和多层工艺的普及，使得总体布线问题更为复杂，且目前研究工作只就某些局部目标展开，缺乏一种该结构下有效完整的总体布线方案。正是在这样的背景下，本项目对非曼哈顿结构VLSI总体布线相关问题展开一些研究工作，选取X结构作为非曼哈顿结构的代表，完成的主要工作如下：（1）基于多目标PSO和Elmore时延模型提出了一种构建时延驱动X结构Steiner树的有效算法，从而有助于性能驱动X结构总体布线问题的研究。（2）绕障Steiner最小树的构建是VLSI物理设计中一个极为重要问题，为此，提出一种基于粒子群优化的有效算法用于求解X结构下的绕障Steiner最小树问题。考虑到粒子群优化算法存在收敛速度慢的不足，进一步设计一种四步骤的高效启发式算法用于求解该问题。（3）针对ML-OAXSMT问题，以最小化布线总代价为目标，并同时考虑到通孔数的优化，提出了一种基于PSO算法和惩罚机制的ML-OAXSMT构建算法。为了进一步提高求解多ML-OAXSMT问题的算法质量，基于查找表的思想，提出了一种高效的绕障策略，可以准确获得多层环境下的Steiner点位置，从而构建一棵高质量的ML-OAXSMT。(4) 针对X结构下的总体布线问题，提出一种基于ILP模型、划分策略及PSO等技术的高质量X结构总体布线算法。 本项目进一步扩宽研究思路，针对曼哈顿结构下绕障Steiner树构建问题并且将PSO扩展应用于VLSI电路划分阶段，主要完成以下工作：（1）研究了电压转换速率的计算模型和RSMT-RERR问题中的电压转换速率约束，基于SPCF算法框架提出考虑电压转换速率约束的直角Steiner树构造算法。（2）研究了ML-OARSMT问题的特征，提出了该问题布线图的构造方法。考虑避开障碍和连通相邻层，选择了三种类型候选通孔位置。 （3）电路划分作为VLSI物理设计中的首个关键环节，通过附加考虑时延因素，构造了电路划分的多目标问题模型，引入局部搜索策略以及基于小生境技术的表现型共享粒子评价机制，设计了一个求解多目标电路划分问题的混合DPSO。 2100433B