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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇集成電路設計的前景，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞 模擬集成電路 CAD 教學改革
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1002—7661（2012）21—0006—01
在當今信息時代，微電子學的應用已經滲透到國民經濟的各個領域。集成電路（ Integrated Circuit， IC）作為微電子技術的核心，是整個信息產業和信息社會最根本的技術基礎。發展IC產業對提高技術的創新基礎和競爭能力具有非常重要的作用，對國民經濟發展、國防建設和人民文化生活等各方面都發揮著巨大的作用，也是一個國家參與國際化政治、經濟競爭的戰略產業。模擬集成電路是現實世界和數字化系統之間的橋梁，是現代信息化系統的關鍵技術之一。發展電子信息化，必須發展模擬IC技術。為了提高我國模擬IC電路的水平，不但要在產業化方面做出巨大的努力，還需培養出更多的高質量人才。事實上，模擬集成電路設計是一個實踐性較強、實踐內容多的微電子學專業的專業方向，因而在教學課程設置時不僅要努力加強理論教學，還需加強實踐教學，提高學生的實踐動手能力。《模擬集成電路CAD》課程作為模擬集成電路設計方向的核心基礎課程，其教學的好壞關系到學生在模擬集成電路設計方面的發展前景。在此背景下，根據重慶郵電大學光電工程學院微電子學專業的實際情況，結合筆者多年集成電路實際工程經驗以及多年教學實踐，擬從以下幾個方面對《模擬集成電路CAD》課程的教學改革進行探索。
一、理論教學，以培養學生分析設計能力為目標
《模擬集成電路CAD》是模擬集成電路設計方向的一門核心基礎課，與其他電路基礎課一樣，具有承上啟下的作用。而模擬集成電路具有概念細節多、理論較抽象、工程特征突出、電路結構多樣等特點，在學習中學生普遍反映較難學習。在設置授課內容時，不僅要夯實專業基礎和培養學生的分析與設計能力，還要盡量避免與《模擬CMOS集成電路》等課程的知識重復的問題。
根據教學大綱以及課程內容設置原則，《模擬集成電路CAD》理論教學定為32學時，并將講授內容分為以下幾部分：第一部分，MOS仿真模型及CMOS模擬集成電路CAD；第二部分，單元電路設計、仿真及分析；第三部分，偏置電路設計、仿真及分析；第四部，跨導放大器設計。在授課過程中，以簡單CMOS模擬集成電路基本單元分析為主，復雜CMOS模擬集成電路分析為輔；以分析能力培養為主，設計能力培養為輔；激勵學生CMOS模擬集成電路設計的興趣。
二、實驗教學，以培養學生實踐動手能力為目標
實驗教學的目的在于培養學生建立起CMOS模擬集成電路設計流程的概念、熟練掌握各個環境的工具使用，能解決模擬集成電路設計仿真過程出現的問題，促使理論知識的理解和深化，因而設置合理的實驗體系具有重要意義。同時，Cadence、Synopsys、Mentor等最主流集成電路設計工具廠商提供的EDA工具是目前集成電路設計公司最廣泛使用的工具。為了使學生在畢業后能很快適應崗位、能盡快進入角色，有必要使學生學習使用這類先進的EDA工具，從而真正幫助學生掌握CMOS模擬集成電路設計技術。根據這一原則，《模擬集成電路CAD》實驗教學定為32學時，并開設如下幾個實驗：實驗一，IC設計工具—Cadence的ADE與版圖大師等的使用；實驗二，CMOS兩級運算放大器的設計、版圖繪制與驗證；實驗三，CMOS帶隙基準參考的設計、版圖繪制與驗證。在實驗過程中，一人為一組，有利于培養學生的獨立思考問題、解決問題的能力。
三、改革教學方法，豐富教學手段
教學內容體系確定后，采用什么樣的教學方法與教學手段是非常重要的。采用有效的教學方法并結合先進的教學手段，不僅有利于培養學生獲取知識的能動性，而且有利于培養學生獨立發現問題、分析問題以及解決問題的能力，實現以教為中心到以學為中心的轉換，突出學生在學習過程中的主動性，從而獲得好的教學成果。
針對CMOS模擬集成電路具有概念細節多、理論較抽象、工程特征突出、電路結構多樣等特點，在（下轉第10頁）（上接第6頁）教學手段上以多媒體教學為主，傳統黑板板書為輔，同時在課堂上以動畫的形式展現當前CMOS模擬集成電路設計趨勢及其技術特點，從而達到提高課堂教學質量的目的。
四、考核方式的改革
考核是對學習的結果做出評估，是反映教學效果的手段。而課程開設能否達到既定的教學目標，課程的考核方式有著比較重要的作用。傳統的考核方式為試卷筆試與平時成績結合的方式。針對《模擬CMOS集成電路》課程特點，考核方式作如下嘗試：結合課程的專業特點，采用提交論文和現場答辯相結合的考核方式。針對課程的重點知識點，設計幾個課外小題目，讓學生通過查閱相關文獻資料，完成電路設計并撰寫小論文，從而增強學生獨立思考與實踐動手能力。在每個題目完成后，教師要求學生在提交論文時做好答辯ppt，并利用專門時間進行5分鐘左右的答辯，并接受教師和同學的提問。這樣可以引導學生更加重視實踐性環節，強化技能水平的提高。
教學過程是一個不斷探索、總結與創新的過程。要實現《模擬集成電路CAD》這門課的全面深入的改革，還有待與同仁一道共同努力。在今后的教學實踐中，筆者將加強與同行交流學習，進一步完善教學內容、教學實踐、教學方法、教學手段以及考核方式等，以期改善教學效果。
參考文獻：
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【關鍵詞】集成電路 理論教學 改革探索
【基金項目】湖南省自然科學基金項目（14JJ6040）;湖南工程學院博士啟動基金。
【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0255-01
隨著科學技術的不斷進步，電子產品向著智能化、小型化和低功耗發展。集成電路技術的不斷進步，推動著計算機等電子產品的不斷更新換代，同時也推動著整個信息產業的發展[1]。因此，對集成電路相關人才的需求也日益增加。目前國內不僅僅985、211等重點院校開設了集成電路相關課程，一些普通本科院校也開設了相關課程。課程的教學內容由單純的器件物理轉變為包含模擬集成電路、數字集成電路、集成電路工藝、集成電路封裝與測試等[2]。隨著本科畢業生就業壓力的不斷增加，培養應用型、創新型以及可發展型的本科人才顯得日益重要。然而，從目前我國各普通院校對集成電路的課程設置來看，存在著重傳統輕前沿、不因校施教、不因材施教等問題，進而導致學生對集成電路敬而遠之，退避三舍，學習積極性不高，繼而導致學生的可發展性不好，不能適應企業的要求。
本文結合湖南工程學院電氣信息學院電子科學與技術專業的實際，詳細闡述了本校當前“集成電路原理與應用”課程理論教學中存在的問題，介紹了該課程的教學改革措施，旨在提高本校及各兄弟院校電子科學與技術專業學生的專業興趣，培養學生的創新意識。
1.“集成電路原理與應用”課程理論教學存在的主要問題
1.1理論性強，課時較少
對于集成電路來說，在講解之前，學生應該已經學習了以下課程，如：“固體物理”、“半導體物理”、“晶體管原理”等。但是，由于這些課程的理論性較強，公式較多，要求學生的數學功底要好。這對于數學不是很好的學生來說，就直接導致了其學習興趣降低。由于目前嵌入式就業前景比較好，在我們學校，電子科學與技術專業的學生更喜歡嵌入式方面的相關課程。而集成電路相關企業更喜歡研究生或者實驗條件更好的985、211高校的畢業生，使得我校集成電路方向的本科畢業生找到相關的較好工作比較困難。因此，目前我校電子科學與技術專業的發展方向定位為嵌入式，這就導致一些跟集成電路相關的課程，如“微電子工藝”、“晶體管原理”、“半導體物理”等課程都取消掉了，而僅僅保留了“模擬電子技術”和“數字電子技術”這兩門基礎課程。這對于集成電路課程的講授更增加了難度。“集成電路原理與應用”課程只有56課時，理論課46課時，實驗課10課時。只講授教材上的內容，沒有基礎知識的積累，就像空中架房，沒有根基。在教材的基礎上額外再講授基礎知識的話，課時又遠遠不夠。這就導致老師講不透，學生聽不懂，效果很不好。
1.2重傳統知識，輕科技前沿
利用經典案例來進行課程教學是夯實集成電路基礎的有效手段。但是對于集成電路來說，由于其更新換代的速度非常快，故在進行教學時，除了采用經典案例來夯實基礎外，還需緊扣產業的發展前沿。只有這樣才能保證人才培養不過時，學校培養的學生與社會需求不脫節。但目前在授課內容上還只是注重傳統知識的講授，對于集成電路的發展動態和科技前沿則很少涉及。
1.3不因校施教，因材施教
教材作為教師教和學生學的主要憑借，是教師搞好教書育人的具體依據，是學生獲得知識的重要工具。然而，我校目前“集成電路原理與應用”課程采用的教材還沒有選定。如：2012年采用葉以正、來逢昌編寫，清華大學出版社出版的《集成電路設計》;2013年采用畢查德?拉扎維編寫，西安交通大學出版社出版的《模擬CMOS集成電路設計》;2014年采用余寧梅、楊媛、潘銀松編著，科學出版社出版的《半導體集成電路》。教材一直不固定的原因是還沒有找到適合我校電子科學與技術專業學生實際情況的教材，這就導致教師不能因校施教、因材施教。
2.“集成電路原理與應用”課程理論教學改革
2.1選優選新課程內容，夯實基礎
由于我校電子科學與技術專業的學生，沒有開設“半導體物理”、“晶體管原理”、“微電子工藝”等相關基礎課程，因此理想的、適用于我校學生實際的教材應該包括半導體器件原理、模擬集成電路設計、雙極型數字集成電路設計、CMOS數字集成電路設計、集成電路的設計方法、集成電路的制作工藝、集成電路的版圖設計等內容，如表1所示。因此，在教學實踐中，本著“基礎、夠用”的原則，采取選優選新的思路，盡量選擇適合我校專業實際的教材。目前，使用筆者編寫的適合于我校學生實際的理論教學講義，理順了理論教學，實現了因校施教，因材施教。
表1 “集成電路原理與應用”課程教學內容
2.2提取科技前沿作為教學內容，激發專業興趣
為了提高學生的專業興趣，讓他們了解“集成電路原理與應用”課程的價值所在，在授課的過程中穿插介紹集成電路設計的前沿動態。如：從IEEE國際固體電路會議的論文集中提取模塊、電路、仿真、工藝等最新的內容，并將這些內容按照門類進行分類和總結，穿插至傳統的理論知識講授中，讓學生及時了解當前集成電路設計的核心問題。這樣不但可以激發學生的好奇心和學習興趣，還可以提高學生的創新能力。
2.3開展雙語教學互動，提高綜合能力
目前，我國的集成電路產業相對于國外來說，還存在著相當的差距。要開展雙語教學的原因有三：一是集成電路課程的一些基本專業術語都是由英文翻譯過來的;二是集成電路的研究前沿都是以英文發表在期刊上的;三是世界上主流的EDA軟件供應商都集中在歐美國家，軟件的操作語言與使用說明書都是英文的。因此，集成電路課程對學生的英語能力要求很高，在課堂上適當開展雙語教學互動，無論是對于學生繼續深造，還是就業都是非常必要的。
3.結語
集成電路自二十世紀五十年代被提出以來，經歷了小規模、中規模、大規模、超大規模、甚大規模，目前已經進入到了片上系統階段。雖然集成電路的發展日新月異，但目前集成電路相關人才的學校培養與社會需求存在很大的差距。因此，對集成電路相關課程的教學改革刻不容緩。基于此，本文從“集成電路原理與應用”課程理論教學出發，詳細闡述了“集成電路原理與應用”課程教學所存在的主要問題，并有針對性的提出了該課程教學內容和教學方法的改革措施，這對培養應用型、創新型的集成電路相關專業的本科畢業生具有積極的指導意義。
參考文獻：
Abstract: Combining with the practical situation and characteristics of the university, based on training target of micro-electronics specialty and from the concept of undergraduate talents cultivation, this paper discussed the cultivating pattern of applied talents from course offering, teaching contents, teachers team construction, experimental teaching practice, and put forward a series of feasible and effective measures, so as to promote rapid development of our new professionals of microelectronics and cultivate application-oriented talents of microelectronics.
關鍵詞: 應用型人才;微電子專業;素質教育
Key words: applied talents;microelectronics major;quality education
中圖分類號:G64 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)29-0234-02
0引言
微電子學是在物理學、電子學、材料科學、計算機科學、集成電路設計制造學等多種學科基礎上發展起來的一門新興學科,是發展現代高新技術和國民經濟現代化的重要基礎。作為電子通信類高校,南京郵電大學建校近50年來,正朝著信息科技類大學進軍。隨著電子、通信和信息等產業的飛速發展,國內外微電子學人才都十分緊缺,建立微電子學專業,也可為我國的 ASIC設計方面,培養急需的人才[1-6]。在現代科學和技術迅速發展的今天,社會要求大學的培養目標同經濟發展的需要相結合,如果培養出來的學生能夠適應社會的需求,不僅學生能有用武之地,找到自己的價值和自信,而且學校的知名度也得以提升。因此現今的學校越來越注重某一專門職業的培養,注重培養有能力,有效率的人。因此當今的高校教育不僅需要培養大量理論基礎較扎實、具有開拓創新精神的專業型人才,也更需要培養大量工程應用型人才。應用型人才培養模式的具體內涵是隨著高等教育的發展而不斷發展的,“應用型人才培養模式是以能力為中心,以培養技術應用型專門人才為目標的”。本科應用型是本科層次教育,既有著普通本科教育的共性,又有別于普通本科的自身特點,它更加注重的是實踐性、應用性和技術性。即基礎知識比高職高專學生深厚、實踐能力比傳統本科生強,是本科應用型人才最本質的特征。本科應用型人才培養模式是根據社會、經濟和科技發展的需要,在一定的教育思想指導下,人才培養目標、制度、過程等要素特定的多樣化組合方式[7]。
1培養應用型人才的措施探討
培養應用型人才不是單方面的強化和提升,而是涉及到方方面面。比如,學校自身的特點,目標的定位,課程的設置等等,因此,培養應用型的人才可以采取以下措施:
1.1 明確學校和學科的特點和優勢每一所高校都有自身的辦學特色,每一個學科都有自身的歷史傳統。只有實事求是地綜合分析學校已有的學科基礎、特色、優勢和不足,才能明確學科發展的科學定位,才能培養出有自身特色的專業人才[6]。微電子專業在我校還是一個新專業,如何把這個新專業做大做強,真正體現出南京郵電大學的微電子專業的專業特色,是一個值得探討的問題。根據我校長期為IT行業培養人才和相關院系的基礎和優勢,設置了以通信集成電路設計為主要方向,并對專業方向的發展作了規劃,同時兼顧工藝設計與器件設計。與此同時,確立我校微電子專業人才的培養目標為:根據學校的辦學指導思想,樹立“理科本科教育以培養應用基礎和理工融合型人才為主,在堅持人才培養質量統一要求的基礎上,鼓勵學生個性化、多樣化發展,強化學生的創新精神和實踐能力培養”的教學工作指導思想。從教育理念上講,應用型人才培養應強調以知識為基礎,以能力為重點,知識能力素質協調發展。強調學生綜合素質和專業核心能力的培養。側重學科、專業知識的學習和專業能力的培養;培養適應社會主義現代化建設和信息產業發展需要,在德智體諸方面全面發展,具有較高思想道德、良好的科學文化素質、敬業精神和社會責任感,在擁有微電子學領域內扎實的理論基礎上、還具備實驗能力和專業知識,具有較強的創新精神和工程實踐能力,能在應用微電子學、半導體技術及相關的電子信息科學領域從事產品設計、科技開發、工程技術、生產管理與行政管理等工作。
1.2 課程設置課程的設置是否合理對應用型人才的培養起到了至關重要的作用,其結構是否連貫、課程安排是否合理直接影響后續的教學培養工作。
1.2.1 課程的設置考慮到應用型人才的特點,必須根據行業的需求來安排和設置課程,在進行課程設置的時候,必須先進行廣泛的調研,考慮到社會的實際需求,社會需要什么樣的人才,對今后畢業生的去向有充分的了解,了解用人單位的性質,了解用人單位要求畢業生具備什么知識和能力,更重要的是,培養學生自學的能力、解決問題的能力、判斷能力和創新能力。在微電子專業正式招生之前,我們組織教師到國內不少高校進行調研,并與多所學校的教師進行了交流。在廣泛調研的基礎上,我們了解了國內外、省內外的同類專業的發展狀況和我校微電子專業的實力、優勢及所處的地位,了解到國內外微電子學及集成電路設計人才都十分緊缺,為此,我們提出通訊集成電路和新型微電子器件作為我們的專業方向和特色,并在教學和科研中體現出來。為此,在課程設置上,我們必須在對已經投入適應的培養方案進行分析和總結、不斷地進行修訂和完善,將整個學科的課程結構體系,到具體到每一門課程的知識體系,都應該進行優化設計,以期在最短的學時內使學生掌握牢固的知識。最終使學生獲得以下幾方面的知識和能力:①掌握數學、物理等方面的基本理論和基本知識,具有較好的人文社會科學基礎,并熟練掌握一門外語;掌握微電子學、半導體科學與技術的基本知識、基本理論和基本實驗技能;②熟悉國家信息產業政策及國內外有關知識產權的法律法規;了解微電子學的理論前沿、應用前景和最新發展動態,以及信息產業發展狀況。③具備較好的運用專業知識進行器件設計、集成電路設計的能力,成為工程應用型人才。
1.2.2 理論課程的內容針對江蘇省和南京市的集成電路發展特色,以及南京郵電大學的學科特點和電子科學與工程學院的實際情況,適當加強通訊集成電路、新型微電子器件和光電集成的課程,體現專業特色。以能力培養為基礎來設計的。在進行社會行業的調查中,首先考慮學生畢業后從事何種職業,然后對這種工作需要哪些能力和知識,根據工作的要求對教學終的課程進行專項的能力和綜合能力。在通識基礎課中設置了高等數學、大學物理、物理實驗、程序設計等。學科基礎課中設置了數理方程、概率論、信號與系統、數字電路與邏輯設計、模擬電子技術及電工電子實驗等。這些是所有涉及到電類專業的學生都必須學習的課程。在微電子專業的專業基礎課中安排了固體物理、半導體物理、半導體集成電路工藝、半導體器件物理、通信原理,這些課程都是基礎理論課程,是為微電子專業的學生打下基本的專業基礎。考慮到應用型人才的培養,在集成電路與CAD的課程設置上,不同于專業型人才的培養模式,專門設置了16小時的實驗,加強學生的實驗和操作技能。在集成電路分析與設計的課程設置中,專門將模擬和數字分開,設置了各48小時的模擬集成電路分析與設計、數字集成電路分析與設計,這不同于其他院校的課程設置,應該也算是我專業的一個特色和優勢。使學生掌握初步的集成電路設計知識,加強了學生的集成電路分析和設計的能力。另外還設置了32小時的VLSI設計實驗課和32小時的微電子專業實驗,這也大大加強了實驗和上機比例。具體來講,已經在建設的ASIC設計實驗室的基礎上開展了ASIC設計實驗課程的教學,并籌備建立了微電子專業實驗室,擁有了一批工作站、計算機等硬件資源和ISE、MAXPlus II、Synopsys Cadence等軟件資源、學會一到兩種EDA工具的使用方法。建設微電子器件和半導體物理專業實驗課程,在廣泛調研的基礎上購置了必要的儀器設備、編寫了實驗教程、開展了半導體材料實驗和晶體管測試實驗;基于以上措施,建立一整套完備的、覆蓋微電子產業前端和后端工序的微電子實驗課程體系。開展了器件和工藝設計實驗。掌握一定微電子實驗能力是微電子專業本科生應當具備的基本素質。在微電子專業的專業選修課中設置了VLSI版圖設計基礎、片上系統設計、微電子器件設計、MEMS與微系統設計、新型微電子器件、通信集成電路等多門課程,涵蓋了微電子方向的器件設計、電路設計、工藝設計等各個方面。更好地體現了應用型人才的培養方向和目標。
1.2.3 實踐課程的內容課程突出職業能力。對于應用型人才來講,在學習過程中訓練學生的職業技能是學生是否成功的關鍵之一;學習過程重點基于問題的學習,這是培養學生解決問題能力、判斷能力和創新能力的又一關鍵;學習過程還要培養學生的溝通能力。此外,還擬通過建立微電子專業實驗室,開設微電子和半導體測試實驗課,在培養學生理論知識的同時,加強實踐能力的培養,培養既有較深理論基礎,又有一定動手能力的全面發展的學生。微電子專業是一個實踐性較強、實踐內容多的專業,從集成電路的生成流程來看,其實踐內容包括系統和電路設計、器件設計、工藝設計、版圖設計、實際流片和測試。作為高等學校,而非生產廠家,不可能具備從前端到后端整個流程的實踐條件,為此,我們擬對其中的主要環節開展實踐教學。在實踐型環節的課程設置中,通識基礎課和學科基礎課中安排了電類學科所必須的程序設計、電裝實習、電子電路課程設計等。在專業基礎課和專業課中,設置了軟件設計、微電子課程設計等,設計內容都是與本專業緊密相關,全面運用到所學的專業知識。同時建立校外實習基地,使學生能夠初步了解芯片生產過程。通過參加國外IC CAD公司的大學計劃、購置器件和工藝設計CAD工具,并通過和IC生產企業建立良好合作關系,建立生產實習基地。注重學生與工業界的直接聯系。爭取在畢業設計階段,大部分學生的畢業設計都能在企業完成的,而且不少學生的第一個工作就是在所實習和進行畢業設計的單位里找到的。
1.3 師資隊伍的建設沒有高水平的師資隊伍,培養高素質的人才也只能是紙上談兵。而且本學院的主要任務就是能培養具有良好的學習、工作和創新的高級應用型人才,因此從這個方面來講,沒有年齡結構、學歷結構、職稱結構合理的高水平師資隊伍,也是不能完成高校所承擔的任務的。而且針對應用型人才的培養目標,師資隊伍本身也要具備能培養應用型人才的能力和水平。
1.3.1 積極培養學科帶頭人培育創新型人才就要統籌考慮學科直接承擔的教學、科研、服務三大職能的關系,加速建設學科帶頭人、重點骨干教師和優秀青年教師4個層次的學術梯隊。以中青年學科(術)帶頭人的培養為重點,并加大向青年骨干教師和一線教師傾斜的力度,創造一個公開、平等、競爭、擇優的用人環境,營造一個和諧、寬松、溫馨的工作氛圍。學校要為人才成長創造一流的工作和實驗條件,打造一個凝聚人心的事業平臺,通過培養和引進,形成一批整體素質高、學術實力強、結構合理、具有團結協作精神的學術梯隊,使其在學科建設中發揮突出作用。
1.3.2 在教師中增加培養應用型人才的意識目前,我校的微電子技術系擁有教師7名,平均年齡35歲以下,年輕教師占了90%以上。我們學院的老師都是從大學畢業直接來教大學,導致對學生的培養從源頭上還是在按照“理論型”或“學術型”的培養模式在進行。因此,建立既具有深厚扎實的理論知識功底,又具有精通實踐,有很強的動手操作能力和解決生產實際問題能力的“雙師型”教師隊伍,培養高層次高質量的實用型、應用型教學人才迫在眉睫。今后學院應把如何培養“應用型教師”作為一個重要目標,來加強師資隊伍的建設。在教師中增加培養應用型人才的意識。
積極籌措資金,進一步完善微電子設計、測試實驗室,開出更多的實驗項目,增加實驗組數,鼓勵教師在課程教學中增加設計、實驗類的課時比例,讓學生多動手動腦。鼓勵教師積極申報應用型或工程類的項目,這樣既可以滿足一定的科研工作量,也可以讓學生參與到項目中來鍛煉學生的從事科研和工程技術類的工作,積累一定的設計、實驗和操作經驗。鼓勵教師與公司、研究所合作,給學生提供實習、工作的機會和場所,也可以提高就業率。鼓勵教師到國內外高校去做訪問學者,積極參加國內外舉辦的國際會議,從而了解專業的最新發展、前沿問題,并開闊了眼界。設立專款建立青年教師培養基金,資助青年教師開展注重應用類的教學科研工作。在進行教學工作的同時,也與企業界密切合作進行科研工作和技術開發工作,保證自己在理論和技術方面的領先性,在授課時結合自己的研究成果、把新的觀念、新的方法、新的理論傳授給學生,當自己的研究成果轉化為產品后,可以將最新產品和最新技術溶入工業中。
只要通過以上措施,從學科目標、理論課程、實踐環節及師資隊伍建設等工作常抓不懈,經過一定的階段,一定會培養出高水平的擁有微電子學領域內扎實的理論基礎、較強的創新精神和工程實踐能力,從事產品設計、科技開發、工程技術、生產管理與行政管理等工作的應用型人才。
2小結
總的來說,微電子學是發展現代高新技術和國民經濟現代化的重要基礎。而國內外微電子學人才都十分緊缺,尤其注重某一專門職業的培養。因此我校也更需要培養大量的微電子方面的工程應用型人才。而培養應用型的人才必須采取的措施是:明確我校的特點和優勢,以通信集成電路設計為主要方向,同時兼顧工藝設計與器件設計;在課程的設置上,必須根據行業的需求來安排和設置課程,除了基礎理論課,也要大大加強實驗和上機比例。在培養學生理論知識的同時,加強實踐能力的培養,培養既有較深理論基礎,又有一定動手能力的全面發展的學生;同時在教師中增加培養應用型人才的意識,鼓勵教師與公司、研究所合作,積極申報應用型或工程類的項目,讓學生參與到項目中積累一定的設計、實驗和操作經驗。鼓勵教師給學生提供實習、工作的機會和場所。相信通過各方面的工作的配合,一定會培養出高質量的微電子學領域內的應用型人才,為我國的微電子工業做出貢獻。
參考文獻:
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【關鍵詞】A/D轉換器；逐次逼近；全差分；阻容混合；自調節比較器
Abstract：A 12 bit CMOS fully differential SAR ADC is presented in this paper.The principle and structure of the circuit are analyzed，and the impact of each part of the circuit on the properties of the ADC was mentioned.The new type of DAC_SUB resistor string and self adjusting comparator structure was put forward.The influence of VCM jitter on the circuit was calculated.Based on TSMC 0.18 μm 1.8V/3.3V CMOS process，the fully differential resistor capacitor hybrid structure was adopted in order to realize the ADC circuit design.The device occupied a layout area of 390um×780um.Test results show that under 1 Ms/s sampling rate，when the frequency of input signal is 31.37kHz，the ENOB is 10.76 bit，and the power consumption is about 2mW.
Key words：A/D converter；successive approximation；fully-differential；resistance capacity hybrid；self_adjusting comparator
1.引言
隨著數字電路技術和通信技術的快速發展，用數字電路處理模擬信號的應用日益廣泛，A/D和D/A轉換器在模擬系統和數字處理系統界面起著橋梁的作用。為滿足各種不同的檢測及控制任務的需要，A/D轉換器的高速與高精度的設計要求越來越高，結構多樣、性能各異的A/D轉換電路應運而生。A/D轉換器的市場前景非常開闊，研制A/D轉換器具有十分重要的意義。當前A/D轉換器（ADC）的設計主要采用的結構有全并行閃爍型（flash）、折疊內插型、過采樣Σ-型、流水線（Pipeline）型、二步式（two-step）及逐次逼近型（SAR）。逐次逼近式A/D轉換器的主要優點是原理簡單、便于實現、不存在延遲的問題，由于這些優勢，它常常與其它功能集成在一起。逐次逼近式模/數轉換器（SAR ADC）以中等速度、中等分辨率、低功耗以及低成本被廣泛應用于白色家電控制、生物醫學儀器以及便攜式設備中。
2.CMOS全差分SAR ADC設計
2.1 SAR ADC原理
逐次逼近式ADC又稱為二進制搜索ADC，由DAC產生一個模擬信號并與輸入信號進行比較，同時比較的結果也反饋給SAR，通過SAR輸出的控制信號來調節DAC的輸出，使其逐漸逼近模擬輸入信號，直到SAR最后一位控制信號確定，則一次轉換完成。典型的逐次逼近ADC包括采樣保持器、DAC、比較器、數字控制邏輯電路及其他模擬電路。圖1為SAR ADC的結構圖。
圖1 SAR ADC結構圖
Fig.1 The structure of SAR ADC
2.2 阻容混合型DAC電路改進
DAC主要有電壓定標型、電荷定標型、混合型結構。電阻串DAC組成的電壓定標型最大的優勢是能保持良好的單調性，但隨著位數增加電阻數和開關數都指數增加，所占的芯片面積也大大增加。電荷定標型逐次逼近ADC功耗一般比較小，并且不需要額外的采樣保持電路，但是電容的精度和所需的面積都是限制位數的因素，隨著位數的增加，最大電容與最小電容的比值也大大增加，它們之間的匹配性能就不容易控制在需要的范圍以內，而且面積也大大增加了。解決這一問題的辦法是采用混合式結構進行擴展。圖2為全差分阻容混合式結構DAC示意圖。
圖2 全差分阻容混合式結構DAC的示意圖
Fig.2 The hybrid structure diagram of DAC with resistance and capacitance
如圖2所示，本設計DAC高八位采用電容，低四位采用電阻。低四位用電阻實現良好的單調性，高八位用電容達到高位的精度要求。傳統3位電阻串DAC電路如圖3所示。
圖3 傳統（1）和改進（2）全差分電阻串DAC電路圖
Fig.3 The traditional and improved differential resistance string DAC circuit
圖3中的vout1和vout2分別接到兩個電容陣列的終端耦合電容上，采用圖3（1）所示傳統電阻串結構ADC的第一個轉換點在1LSB處，量化噪聲（rms）比較大，該電路的量化噪聲為：
（1）
對圖3（1）傳統電阻串結構進行改進，將每個電阻串中的電阻R分成兩個1/2R電阻，然后將這兩個電阻分別放在電阻串的兩端，圖3（2）以3位DAC為例闡述其原理。本設計通過改進傳統全差分電阻串DAC，ADC的第一個轉換點在1/2LSB處，可以減小量化噪聲。
為說明改進電路如何減小量化噪聲，在此先介紹該DAC的工作過程。放電階段電容陣列的上下極板均接VCM；采樣階段一個電容陣列下極板接VIN，另一個電容陣列下極板接VINB，兩個電容陣列的上極板電壓為（VIN+VINB）/2，上下極板壓差為（VIN-VINB）/2；保持階段電容的下極板接到VCM，耦合電容則分別接在VOUT1和VOUT2上，由于b0 b1 b2均為低電平，此時改進電阻串的VOUT1和VOUT2電壓分別為31（VREFP-VREFN）/64和33（VREFP-VREFN）/64處，根據電荷守恒定律，對VIN處的電容陣列有：
（2）
解得：
（3）
同理對VINB端的電容陣列有：
（4）
在比較過程中兩個電容陣列的上極板電壓分別為：
（5）
（6）
計算可得兩輸入端的電壓差為：
（7）
于是可知ADC的第一個轉換點在1/2LSB處，其量化噪聲為：
（8）
通過改進傳統電阻串DAC結構，可使SAR ADC的量化噪聲減小到原來的1/4。
2.3 時間自調節比較器
本設計采用時間自調節比較器結構，該比較器在比較過程中有一位比較結果產生后，將使得另一信號LATCH拉高，并且通過LATCH信號控制電荷的重新分配，這樣可以使得比較和電荷重新分配兩個過程最有效的利用整個時鐘周期，使得電荷重新分配既靈活又充分。
圖4 時間自調節比較器示意圖
Fig.4 The cycle action sketch of self_adjusting comparator
如圖4所示，在CLK上升沿時刻LATCH信號拉低，比較器中VIN+與VIN-開始進行比較，產生的比較結果VOUT-與VOUT+可導致LATCH信號重新拉高，于是此次比較過程結束。而比較器的結果和控制信號LATCH又可使得SAR結構確定當前位并將下一位置為零，于是開始進入新的電荷重新分配周期。這種比較器結構沒有采用CLK作為電荷重新分配的控制信號，而是通過一個中間產生的信號LATCH來控制，使得電荷重新分配的時間從半個時鐘周期增加到半個多時鐘周期，這樣電荷分配較為充分，有利于提高ADC的采樣速率。
2.4 推算VCM抖動對電路的影響
VCM為（VREFP+VREFN）/2，用DAC電阻串分壓得到，為了準確得出VCM抖動對電路的影響，用圖5的n時刻電容陣列示意圖進行推導。假設接VREFP端的電容陣列中，有a倍單位電容值的電容接VREFP，那么還有255-a倍單位電容值的電容接n時刻（第n位轉換完成，為方便說明，設n
圖5 n時刻電容陣列示意圖
Fig.5 The capacitor array at n time
下面根據電荷分配的基本原理，推導n+1時刻電容陣列的轉換過程，電荷重新分配如公式（9）所示：
（9）
如果VCM（n+1）=VCM（n），則有：
（10）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，則有：
（11）
同理有：
（12）
如果VCM（n+1）=VCM（n），則有：
（13）
如果VCM（n+1）=VCM（n）+ΔVCM，則有：
（14）
比較式（11）與（14）可知由于VCM抖動產生的ΔVCM導致V（n+1）+和V（n+1）―的變化量相等，都為：
（15）
由以上的推導結果可知VCM的抖動并不會改變V（n+1）+和V（n+1）―的大小關系，即不會導致電路產生錯誤的輸出結果。
3.版圖繪制
本文的版圖布局是按照TSMC工藝規劃設計的。由于對電容的容差要求非常嚴格，在版圖設計中，充分考慮了電容之間的匹配問題。本設計高八位有八個電容，外加一個耦合電容，分別給他們進行編號，以0代表耦合電容，以1～8代表自低權位至高權位的8個電容，電容陣列的版圖布局如圖6所示。
圖6 電容版圖規劃示意圖
Fig.6 Layout structure of capacitances
該電容版圖規劃示意圖中的空白部分則是虛擬電容，目的是盡量使電容周邊環境相同，形成相同的刻蝕環境。本設計版圖雖然浪費了一些面積，但是保證了最大的匹配精度。
另外，比較器和latch電路都是采用雙端輸入雙端輸出的結構，該結構中兩支路對稱的管子需要盡量做到匹配，本設計采用的是中心對稱的多叉指結構。比較器和DAC部分版圖用guarding包圍，以防止外界干擾。SAR ADC整體電路版圖如圖7所示，該版圖面積約為880um×1300um，核心版圖尺寸為390um×780um。
圖7 電路版圖
Fig.7 Layout of the circuit
4.仿真及流片測試結果
本設計在TSMC 0.18μm標準CMOS工藝下實現，并用spectre進行仿真，得到電路的主要參數。
圖8 比較器的蒙特卡洛分析
Fig.8 The Monte Carlo analysis of comparator
如圖8所示，對比較器進行蒙特卡洛分析，輸出失調電壓90%在6mv以下，除以增益得到的等效輸入失調電壓小于0.4mv，即小于1/2LSB，能夠滿足電路要求。流片后制作如圖9所示板級電路進行測試，得到SAR ADC的測試結果，輸入信號頻率為31.37k與117.17k的功率譜密度（PSD）圖分別如圖10（1）與（2）所示。
圖9 測試電路板
Fig.9 The test circuit board
圖10 功率譜密度圖
Fig.10 The power spectral density
測試結果總結如表1所示：
表1是本設計SAR ADC的基本（下轉第64頁）（上接第21頁）性能總結，電路工作的溫度范圍是-40℃到125℃，仿真及測試條件為VDD=3.3V，VSS=0V，VREFP=3.3V，VREFN=0V。
表1 SAR ADC動態性能測試結果
Table1 The dynamic performance of SAR ADC
參數 測試結果
采樣頻率 1MS/s
信號頻率/Hz 31.37k 117.17k
ENOB/bit 10.76 10.43
SNDR/dB 66.56 64.57
SFDR/dB 71.61 68.49
表2 SAR ADC性能對比
Table2 Comparison of performance of SAR ADC
文獻 工藝
CMOS fS
（MS/s） ENOB
（bit） P
（mW） FOM
（pJ/step）
[6] 65nm 0.2 9.27 0.44 3.56
[7] 90nm 2.5 9.43 6.62 3.84
[8] 180nm 0.58 9.8 2.23 4.31
本文 180nm 1 10.76 2 1.15
為了與近期的論文結果進行對比，本文將采用優質因數（figure-of-merit―FOM）作為衡量標準。
（16）
其中P代表ADC的功耗，測得有效位數（ENOB）時的采樣頻率為。
表2列出了與近期文獻的結果對比。對比結果顯示，本文所設計的ADC擁有更高的性能指標。
5.結論
本設計SAR ADC采用一種新型電阻串結構的子DAC和時間自調節比較器，并推導和分析了VCM抖動對電路的影響。通過成功流片并制作板級樣品驗證了該電路設計的正確性。此A/D轉換器將嵌入MCU，應用于便攜式設備中。
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作者簡介：
黃玲（1988―），女，湖南瀏陽人，碩士研究生，研究方向：集成電路設計。
姜巖峰（1972―），男，甘肅人，北方工業大學教授，碩士生導師，主要研究方向：集成電路設計。
引發了全球DVD行業的爆炸式增長
聯發科技脫胎于臺灣集成電路巨頭――聯華電子。1997年聯華電子戰略轉型，從整合元件制造（IDM）公司轉型為專業集成電路代工公司，放棄設計專注生產。由此，公司內的集成電路設計部門被放棄，部門員工卷鋪蓋走人。1997年5月28日，曾經在聯華電子擔任過多個部門主管的蔡明介帶領公司從事集成電路設計的30多個同事，成立了聯發科技股份有限公司，繼續集成電路設計工作。
臺灣將集成電路產業稱作半導體產業，而臺灣人開玩笑地說“半導”的意思是有一半公司都會倒閉。過去15年間全球前十大集成電路設計公司的名單至少換了一半。高報酬的半導體產業，充滿著陷阱和危險，稍微邁錯一步，便會掉入萬劫不復的深淵。
在這樣一個高風險但也高回報的行業中，一個30多人的公司，如何生存下去？
武俠小說中，總會有武林高手遇到困境、山重水復疑無路時，忽遇世外高人點撥，頓時撥云見日、重新稱霸江湖的情節。
對于蔡明介來說，這個世外高人，就是哈佛商學院教授克萊頓?克里斯坦森。
就在聯發科成立的同時，在大洋彼岸，哈佛商學院教授克萊頓?克里斯坦森出版了《創新者的窘境》一書，提出了“破壞性創新”的思想。他認為，市場上那些領頭羊企業通常會專注在技術上的領先，滿足高端客戶，獲取高額利潤。而市場的挑戰者會用符合市場需要的技術和便宜的價格，獲取更大范圍的市場，最終威脅甚至取代市場的領頭羊。
克里斯坦森的說法給予蔡明介莫大的啟示。蔡明介準備進軍的第一個市場是光存儲芯片和DVD芯片市場。以更高的性能、更便宜的價格拿下光存儲芯片市場后，在進入DVD播放芯片領域時，聯發科將原來負責視頻和數字解碼功能的兩顆芯片合二為一，同時提供相應的軟件解決方案。這種“硬件+軟件”集成解決方案的面世，降低了DVD播放機生產企業的研發壓力，隨之近2000家大陸企業進入DVD制造行業，引發了全球DVD行業的爆炸式增長，聯發科也藉此打敗當時市場霸主美國ESS公司，成為市場領軍者至今。
DVD芯片之戰的勝利，奠定了聯發科未來攻城掠地的基本戰略，堅定了蔡明介走“破壞性創新”的決心。不過要想繼續成長下去，必須在新的領域推出新的產品。蔡明介決定聯發科的下一個目標是手機芯片。方向已定，主將何在？
山寨模式打下一片天
中國人最厲害之處，就是由親戚、老鄉、同學所搭建的綿密的社會網絡。據說當時華人圈里只有兩個人可以帶團隊開發手機芯片，1999年底，蔡明介找到其中的一個――在美國Rockwell公司的徐至強。蔡明介三顧茅廬的誠意最終打動了徐至強。2001年聯發科開始研發手機芯片。
徐至強用產品回報了蔡明介的信任。據說聯發科曾拿著自己研發出來的手機芯片找到當時的行業大佬諾基亞和愛立信，在磁懸浮列車上測試高速環境下的通話能力。隨著列車速度加快，諾基亞和愛立信的手機都掉線了，但是用了聯發科芯片的手機還在線上。
有好的技術并不代表你一定被認可，不僅諾基亞和愛立信沒有把這樣一個剛剛進入手機芯片領域的“小蝦米”放在眼里，就連當時大陸的手機廠商都沒有特別關注聯發科。2003年，以波導、TCL、熊貓、科健、南方高科為代表的一批大陸產手機品牌正忙著把自己的渠道下移，用強力推銷的人海戰術占領基層市場，大陸產手機在整體市場份額上第一次超過外資品牌。但這一次領先只是曇花一現，2004年外資手機品牌借鑒大陸產手機的營銷策略，用大量低價手機搶攻大陸市場，研發能力的不足和產品本身的缺陷使得大陸產手機在2004年出現大量虧損。
眼巴巴地等待進入手機市場的聯發科此時面臨著芯片研發出來無人采購的窘境。為了讓大陸手機廠商采用聯發科的產品，蔡明介帶領團隊遍訪各大廠商，推銷自己的產品，他曾在機場咖啡廳專程等待某廠商的掌門人，目的就是能與其談上十幾分鐘。只要有大陸廠商到臺灣考察聯發科，蔡明介都要專程以紅地毯貴賓待遇迎接。
2004年，聯發科的一位員工買了一輛新車，車牌號為6219-HM，6219是當時聯發科的手機芯片的型號，大家就問他HM是什么意思，這位員工說HM就是Hundred Million（1億），聯發科的手機芯片要賣到1億顆。當時大家都笑笑，沒把這位員工的話當真。那時全球手機芯片市場被德州儀器、亞德諾、博通、高通、飛利浦、愛立信、杰爾系統、英飛凌和飛思卡爾這些成熟的西方大公司占據，聯發科要賣出1億顆芯片，無異于虎口奪食。
然而兩年之后，聯發科真的賣出了1億顆芯片。
聯發科靠的，不是蔡明介的機場苦等，也不是紅地毯迎接的貴賓禮遇，而是重演了一遍DVD播放芯片的劇本。
2004年大陸手機敗在了缺乏研發能力上，于是聯發科就承擔起這部分研發任務，補足手機廠商的“短板”。聯發科推出了“交鑰匙”式手機解決方案，將芯片、軟件平臺和操作系統整合打包，提供包含通信、觸摸屏、攝像頭、GPS、WIFI、藍牙、視聽解碼的整體芯片解決方案，手機生產商只需要生產一個外殼，裝上電池就是一臺功能多樣、外觀時尚、價格低廉的手機。以前西方手機廠商提供的，就像是待裝修的“毛坯房”；而聯發科提供的，是精裝修的“現房”，直接可以拎包入住。這臺手機可以通過觸摸屏完成拍照、GPS導航、看電視、聽MP3、看MP4、藍牙、WIFI等多項功能，而價格還不到1000元人民幣。
大陸企業的想象力在外觀設計上得到了充分的展現。要開奧運會，就有鳥巢手機、水立方手機和福娃手機；奧巴馬當選了，就推出印有奧巴馬頭像和他競選口號“Yes We Can”的手機。此外，根據使用者的特點，手機甚至可以加上驗鈔、防狼、開酒瓶等各種功能。
借聯發科的東風，以聯想移動、天宇、金立為代表的大陸本土手機廠商重新站了起來，奪回了被外資占據的市場份額。在他們中間，與聯發科合作最緊密的聯想移動和天宇朗通，先后站在了大陸產手機銷量冠軍的領獎臺上。2006年，聯發科與天宇簽訂全面合作協議，聯發科為天宇提供的，不僅是手機芯片的交鑰匙服務，還給天宇提供全方位的管理與研發指導。天宇推出新手機的速度從一年半提高到三個月，正是如此，當大家稱蔡明介為“山寨教父”的時候，天宇的榮秀麗（天宇郎通董事長）被稱為“山寨教母”。
大陸生產的裝載著聯發科芯片的手機也在南亞、南美等國際市場上一路攻城掠地，無往不勝，實現了2005年4月29日連戰在北京大學演講時提出的“兩岸合作賺世界的錢”的目標。
借此東風，聯發科的業績一路長紅，手機芯片的銷量從2007年的1.5億顆一路飆升至2009年的3.51億顆，利潤從2006年的226億新臺幣增長到2009年的367億新臺幣。然而，聯發科的危機也隨著業績的不斷增長而悄然到來。
智能手機時代的價格顛覆者
隨著3G時代的到來，加之錯誤押寶微軟windows mobile操作平臺，聯發科從2010年開始落入冰河期，客戶流失、業績下滑，軍心渙散，以徐至強為代表的一批骨干離開公司。市場對聯發科的前景極度悲觀，畢竟在高科技行業中，一旦開始走下坡路，能夠起死回生的公司幾乎沒有。
就在這個關鍵的時刻，蔡明介再度遇到了克里斯坦森。2010年6月30日，蔡明介和克里斯坦森在臺灣新竹清華大學對談。談話中，蔡明介提到，聯發科手機芯片生意的實質，是把大陸手機的未消費者變成消費者。克里斯坦森說，臺灣是他破壞式創新理論最好的實踐者，中國大陸是破壞式創新的力量來源。
蔡明介和聯發科的成功，給克里斯坦森的理論提供了最好的證明，而克里斯坦森回報蔡明介和聯發科的方式，則是在最危險的時候，給予了聯發科繼續走下去的動力和方向。隨后聯發科轉投安卓陣營，下大力氣進行智能手機芯片的研發，再度挺進大陸市場。
兩年之后，聯發科就再度回到了舞臺的中央。2012年中國大陸智能手機出貨量約為1.8億部，其中約有1.1億部使用了聯發科的芯片，市場份額超過六成。2013年聯發科手機芯片銷量再度翻番，達到2.2億套，凈利潤暴增77%，達到275億元新臺幣（約合56億元人民幣）。全球市場統計下來，聯發科超過三星，成為全球僅次于高通和蘋果的第三大智能手機芯片公司。同時，老對手德州儀器、瑞薩、意法愛立信紛紛退出手機芯片業務。裝有聯發科芯片的大陸產智能手機品牌中興、華為、酷派、聯想、小米的銷量一路扶搖直上，華為和聯想進入全球銷量前五的行列。在印度，搭載聯發科芯片的Micormax已經是印度第二大手機品牌；在法國，搭載聯發科芯片的wiko成立兩年，已經成為法國第三大手機廠商，儼然就是法國的小米。
聯發科芯片出貨量的增加，帶動了全球智能手機價格加速下跌。根據美國IDC（International Data Corporation）公司的數據，2012年智能手機的全球均價下降了8%，2013年智能手機的全球均價下降了18%。像上一波聯發科帶動的手機降價潮沖擊市場老大諾基亞一樣，這一輪聯發科帶動的手機降價潮沖擊了市場老大三星電子，其2014年二季度的營業利潤比上年同期大幅減少24%，這已是三星連續三個季度營業利潤低于上年同期。聯發科會不會在終結了諾基亞霸業之后繼續充當“刺客”威脅三星，市場正在拭目以待。
由于智能手機價格大幅下跌帶來了大陸智能手機市場的爆炸式增長，大陸手機網民的數量隨之快速成長。手機網民占總體網民的比例從2011年的69.3%上升到2013年的81%。手機網民的增加，帶動了手機游戲、網絡視頻、移動電商等一系列相關產業的大發展。
上一次聯發科讓更多的中國人用上了手機，這一次聯發科讓更多的中國人進入了移動互聯網時代。
聯發科的成功，在于其找對了方法，用對了地方。用破壞式創新的方法以大陸市場作為基地，最終成就了聯發科的輝煌。聯發科讓更多因為價格因素被排除在市場之外的消費者能夠進入市場，市場規模進一步擴大幫助聯發科更好地攤薄了研發成本，形成良性循環。從這個角度上說，聯發科的成功，就是“農村包圍城市”的成功。
不過也有人擔心，大陸手機產業長期享受聯發科這種交鑰匙方案“保姆式”的照顧，久而久之會喪失自身的研發能力。不過，似乎這種擔心是多余的。華為在使用聯發科芯片的同時，也開始使用自主研發的芯片海思。而且，同樣仰賴顛覆式創新的上海展訊通信正在形成對聯發科越來越大的威脅。根據IDC的數據，2013年展訊通信在中國大陸100美元以下的低端手機市場已占據24.1%的市場份額。未來展訊通信是和聯發科一起去攻占世界市場，還是像聯發科顛覆諾基亞那樣顛覆聯發科，成為新的顛覆式創新的典范，我們只能等待未來給予回答。
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，是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。數字語音集成電路與嵌入式微處理器相結合，首先降低了產品研發成本，其次系統更小、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、消費電子產品、排隊機、報警以及報站器等。
1.2系統總體設計方案
FPGA的開發相對于傳統Pc、單片機的開發有很大不同，FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現的，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間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA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的推出單片系統成為可能。為了支持SOPE的實現方便用戶的開發與應用altera還提供了眾多性能優良的宏模塊、IP核以及系統集成等完整的解決方案。這些宏功能模塊、IP核都經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的性能上而不是重復開發已有的模塊。
2.系統的處理
2.1本音頻信號處理系統
本音頻信號處理系統以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，以獲得高品質的音頻數字信號，再將高品質的音頻數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時序接口及音頻數據處理模塊、FIFO先進先出存儲器設計、帶通數字濾波設計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。實現對I2c時序的模擬，控制SCLK（數據時鐘）和SDAT（數據線）將存放在I2c_data中的24位控制字串行發送給W～8731，該模塊例化于I2c控制字配置模塊之中，以實現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、數據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時序接口及音頻數據處理模塊。將18.432MHz的主時鐘分頻，產生均為48kHz的數模轉換和模數轉換采樣率時鐘以及對應的數字音頻時鐘（BELK）。除此之外，在此模塊中還調用了I2s串行數據轉并行數據模塊，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.系統的軟件設計及調試
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時序接口及音頻數據處理模塊。本系統是基于FPGA的音頻編解碼芯片控制器，用以實現對語音芯片WM8731的控制。在整個系統中，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經行控制字配置。初始化完成后，音頻數據從MIC或LineIn輸入，經過A/D轉換后，數字信號再進入FIFO，再經過FIR數字濾波處理，之后成為串行的數字信號并由12S總線傳入FPGA器件。經過串并變換等處理之后，再經過D/A轉換由LineOut通過耳機輸出。在調試過程中，始終選擇主模式，DACSEL始終置為數字信號輸出。在測試中，WM8731能夠輸出高品質的音頻信號。
微電子技術是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件上的技術．其主要包括系統電路設計、器件物理、工藝技術、材料制備、自動測試以及封裝、組裝等一系列的技術。該技術在很多方面都發揮了其重要的作用，如在生活中我們所使用的手機、電子計算機、醫療器械、移動電視等一系列的電子產品；還有軍事方面的武器如衛星通信、原子彈等一系列的武器裝備中。
二、微電子的現狀
首先我們來介紹一F微電子的發展史，它主要經歷以下幾個階段。第一個階段：1947年巴丁和布拉頓發明了點接觸式的晶體管；第二個階段：1958年TI公司制造出世界第一塊集成電路芯片：第三個階段：20世紀70年代進入MOS時代。那么，為什么微電子能得以發展并且發展的如此迅速昵?正是由于Mos管的高集成性和低功耗、放大倍數高等優點，所以到70年代就進入了MOS的時代并一直發展到現在。盡管帥s管有哪些優點，但這并不意味著M0s管已完全取代了晶體管的地位；在一些對速度和驅動能力要求非常高的系統中還是要用到晶體管。
微電子發展的如此迅速那就是否就意味著其發展的道路是一帆風順呢?顯然是否定的。在微電子發展的過程中我們遇到了許許多多的方面困難，如工藝方面、材料方面、封裝測試方面和設計等方面都遇到了重重地障礙。其中集成電路工藝技術主要包括擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長以及拋光等技術。微電子在材料方面的困難豐要是隨著微電子器件尺寸的減小，一些材料已經不能很好的滿足微電子發展的需求，人們已經不在局限于Si、Ge、GaAs、等一些材料，而是也開始研究高K柵介質、低K互連介質、碳化硅(SIC)、新型化合物等半導體材料。在工藝方面的困難主要是隨著微電子器件尺寸的減小，其最小的特征尺寸已經進入到納米數量級；這使得器件之間產生相互影響，進而影響電路的性能，嚴重的阻礙了微電子行業的發展。這就需要政府投入大量的財力和人力來進行新器件、新工藝的研究。同時在光刻技術的研究和開發中，以光子為基礎的光刻技術種類很多，但產業化前景較好的主要是紫外(U)光刻技術、深紫外(DUv)光刻技術、極紫外(EUV)光刻技術和X射線(X-ray)光刻技術，但是由于特征尺寸越來越小這使得光刻技術面臨一定的困難，①這就使得工藝線必須使用波長更短的光源。從早期的水銀燈到現在使用的遠紫外線，甚至使用研究中的粒子束。②導致光刻以及掩膜成本急劇上升。③光刻時小尺寸圖形所產生的干涉和衍射效應使得光刻圖案失真越來越嚴重。在測試方面由于現在的電路集成度愈來越高，這使得集成電路的封裝與測試也越來越困難，而且在封裝測試后芯片成品率也不高，這也是制約微電子發展的一個重要的因素。
三、微電子對中國未來經濟發展的意義
微電子的發展在我國的經濟發展和軍事力量的發展中占有十分重要的地位。同時微電子對人們生活水平產生了重大的影響。在生活水平方面隨著微電子的發展人們的生活水平也在不斷地提高。如家用電器的功能的增加和性能增強提高了人們生活質量，而且隨著微電子的發展許多電器價格都非常便宜。在軍事方面的意義：不僅提高作戰軍事裝備和作戰平臺的性能(如雷達和導航系統等)，而且導致新式武器和裝備的產生，同時，微電子技術改變了傳統的作戰方式，這將會從近距離戰爭發展到未來的遠距離的電子信息戰。只有把微電子發展起來，一個國家才可以真正的強大起來．如近幾年來我國的海權一直都得不到保護正是由于我國海上防衛能力還不夠強大，歸根到底是由于設備技術的落后，所以只有大力發展微電子我國才能夠在未來真正成為科技強國。
四、微電子發展的趨勢
微電子學是一門發展十分迅速的學科，而且微電子集成電路的發展一直都遵循“摩爾定律”。所謂的“摩爾定律”是指集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，當價格不變時；或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。21世界的微電子發展趨勢主要有：第一、各國的微電子都在向減小器件尺寸方面和集成度不斷提高方面發展，即微電子特征尺寸將由微米一亞微米一深亞微米一納米甚至更小。尤其是國外發達國家正在向0．1微米以下的工藝發展，這更加拉大了我國與發達國家之間的差距。第二、發展片上系統(SOC)。其主要是將傳感器、執行單元和數據處理系統集成在一塊芯片上，從而完成信息的采樣、處理等功能。第三、微電子技術與其它學科結合的產物。如她Ms技術，它是微電子技術與機械、力學、光學等領域結合的產物；還有用于醫療的生物芯片，其豐要微電子技術與生物工程技術相結合的產物。
五、微電子發展的策略
縱觀近幾年來我國微電子的發展情況可知，我國微電子行業嚴重缺乏技術人員，特別是集成電路設計工程師。由這一國情也就決定了我國未來幾年微電子的發展方向以及人才的培養方向。微電子是衡量一個國家綜合國力的重要指標，同時也在我國經濟發展以及國家安全方面占有舉足輕重的地位，這就需要我們國家重視對微電子的發展，對微電子人才的培養。關于微電子的發展我提幾條意見：①根據國內微電子專業發展情況，大量培養微電子專業人才已經是迫在眉睫。同時，在培養人才的過程中我們也更應該注意人才培養的質量。②應該根據微電子專業的市場需求培養多層次、專業化人才，加強學校和企業的合作，了解企業需要的人才類型，加強各個高校在微電子學方面研究成果的交流。同時我們也應該注重理論聯系實際；為學生提供實習的機會也是必不可少的，這樣就可以培養學生的實際動手能力。③時刻了解國外微電子發展動態，專業課程可以直接采用或參考國際最新的優秀教材；聘請具有豐富實踐經驗的專家教授進行授課；創造機會，鼓勵教師與企業合作進行研發項目，了解實際應用需求，并據此來完善各高校教學大綱。
參考文獻：
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電子信息類專業涵蓋較廣，主要的專業有電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術、通信工程、光信息科學與技術。這些專業看上去近似，又不盡相同，下面我們通過各專業的課程設置、培養方向、就業方向來進行了解。
電子信息工程、電子科學與技術、電子信息科學與技術：傻傻分不清楚
不少同學面對“電子信息工程”“電子科學與技術”“電子信息科學與技術”這三個非常相近的專業名詞時，會感到迷惑。作為“電子”相關的專業，就像是三胞胎一樣，在一些院校被俗稱為“三電”。相對于通信工程和光信息科學與技術而言，它們都是較寬口徑專業，所學的專業知識更廣，當然就業面也會更廣。通信工程和光信息科學與技術專業，所學的專業知識更有針對性，更加深入，也比較精細。現如今，高校開設“三電”專業的大學非常多，一般的理工類院校和綜合性大學幾乎都有，甚至一些文科類大學也開始嘗試開設。那么這三個專業到底有什么區別呢？
首先，從教授的課程來看，這三個專業在大一、大二、大三上學期所學的基礎課程基本一樣，只是在大三下學期、大四開設的專業課程有不同的側重點――電子信息工程重“信息”，即信號處理，學習硬件電路、軟件編程；電子科學與技術重“電子”，即硬件電路設計，學習物理電子、光電子和微電子學；電子信息科學與技術重電路設計，跟電子科學與技術專業最為接近，它作為后者的子專業，學習范圍更廣，包括電子、計算機、信息技術三大知識板塊，可以說是集電子信息工程、電子科學與技術于一體。
其次，從就業來看，電子信息工程專業的學生畢業以后可以當軟件工程師（設計開發各種軟件）、電子工程設計師（設計開發一些電子、通信器件）。電子科學與技術專業的學生畢業以后可以從事開發計算機硬件工作，當電路設計工程師（這個專業主要有兩個就業方向，一是集成電路生產企業，二是集成電路設計企業）。電子信息科學與技術專業的學生就業口徑最寬，有著“萬金油”之稱，電子方面，可以做電路設計工程師；信息方面，可以做電信工程師；計算機方面，可以開發軟件、硬件。
【推薦院校】清華大學、北京大學、南京大學、復旦大學、南開大學、上海交通大學、華南理工大學、北京郵電大學、南京郵電大學、西安電子科技大學、杭州電子科技大學、中國科學技術大學
通信工程：“信息”中的王牌專業
通信工程具有極廣闊的發展前景，也是人才嚴重短缺的專業之一。通信行業涉及領域廣，可以說是橫跨了電子和計算機行業。而通信工程專業跟前文介紹的“三電”專業不同之處在于，通信工程專業知識更加有針對性，側重于“信息”，理論學習更加深入，課程難度大，可以達到“基本掌握”。而同樣是側重于“信息”的電子信息工程專業，只能說是“基本了解”。主干課程中，如程控交換技術、移動通訊、計算機網絡通訊、光纖通訊等，都是“三電”專業不會開設的。該專業要求畢業生掌握通訊技術和計算機技術的基本理論與設計方法及程控交換技術、光纖通訊、移動通訊和計算機網絡通訊的基本原理及應用方法。
通信工程專業在本文提及的所有專業中，開設最早，招生的分數線最高，得益于通信行業的高速發展，一直是非常熱門的“王牌專業”。因為其在信息、信號處理方面專業知識學習比較深入，畢業生選擇考研，特別是報考信號處理、無線電波等方向優勢會比較明顯。當然，就業也非常不錯，在通信領域中從事研究、設計、制造、運營的工作及在國民經濟各部門和國防工業中從事開發、應用通信技術與設備的高級工程技術的工作。比如選擇去電子信息類技術研發的相關科研院所，中興、華為、大唐、富士康等設備制造商，摩托羅拉、三星、貝爾等外資企業；也可以去通信運營商，如中國電信、中國移動、中國聯通等，從事信號處理類的研發、設計工作。隨著現在國家大力推廣的3G移動通信技術，通信工程專業的畢業生專業優勢明顯，專業對口，相信在就業時，可以得到更多被青睞的機會。
【推薦院校】清華大學、北京大學、北京郵電大學、北京航空航天大學、北京理工大學、上海交通大學、東南大學、國防科學技術大學、哈爾濱工業大學、西安電子科技大學
光信息科學與技術：徜徉在光的海洋
光信息科學與技術，這個名字聽起來很抽象，其實卻實實在在地存在于你我的日常生活之中：我們同美國親友之間的越洋電話聯系，依靠的是太平洋海底長長的光纖；我們上網所用的寬帶、用超大規模彩色LED（液晶）顯示器欣賞色彩艷麗的畫面，都是對光信息技術最直接的體驗。
本專業培養具備光信息科學與技術的基本理論、基本知識和基本技能，能在應用光學、光電子學及相關的電子信息科學、計算機科學等領域（特別是光機電算一體化產業）從事科學研究、教學、產品設計、生產技術或管理工作的光信息科學與技術高級人才。本專業學生主要學習光信息科學與技術的基本理論和技術，熟悉光學、電子學技術和計算機技術。
光信息科學與技術專業一般設在電子工程系或通信工程系。隨著光電子技術的發展與興起，一些院校已逐步將這一專業單獨分出成系，這也充分顯示了該專業良好的發展前景。不過，對物理學、量子力學、波動光學等幾科的要求都相當高。如果你對物理、數學很感興趣，有比較好的邏輯思維和抽象思維能力，以及比較強的理解力，不妨報考這個專業，光的海洋會讓你受益匪淺。
摘要：在“十二五”的開局之年，國務院印發了《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策的通知》（國發〔2011〕4號，簡稱“新18號文”），新18號文從財稅政策，投融資政策，研究開發政策，進出口政策，人才政策，知識產權政策，市場政策等多方面為軟件產業發展提供了強有力的支持。新18號文的實施，將為軟件產業和集成電路產業的發展壯大提供了更廣闊的發展空間，南京也將迎來軟件產業發展的春天。本文通過對比分析新老18號文，得出南京軟件產業發展的新契機，并提出加快南京軟件產業發展的建議。
關鍵詞：新18號文；南京；軟件產業；新契機
中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A
1 引言
軟件產業是信息產業的核心，是國民經濟信息化的基礎，是21世紀產業規模最大，最具廣闊前景的新興產業之一。2000年，國務院實施了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》（國發〔2000〕18號），我國軟件和集成電路產業政策環境不斷改善，產業規模增速迅猛，出現了一批有規模有競爭力的龍頭企業，軟件產業被列為國家核心技術產業。18號文提出了對軟件企業增值稅優惠等一系列扶持政策，極大的促進了中國軟件產業發展。2010年，我國實現軟件業務收入13364億元，同比增長31%，產業規模比2001年擴大17.8倍，年均增長38%，占電子信息產業的比重由2001年的6%上升到18%。在全球軟件與信息服務業中，中國軟件產業所占份額由不足5%，上升到超過15%。軟件業占GDP的比重由2001年不足0.7%上升到超3.3%（圖1），軟件業從業人數由不足30萬人提高到超過200萬人，軟件業對社會生活和生產各個領域的滲透力和帶動力不斷增強[1]，“18號文”帶來中國軟件產業發展的“黃金十年”。
2011年，在“十二五”的開局之年，國務院印發了《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策的通知》（國發〔2011〕4號，簡稱“新18號文”），新18號文從財稅政策，投融資政策，研究開發政策，進出口政策，人才政策，知識產權政策，市場政策等多方面為軟件產業和集成電路產業發展提供了強有力的支持，帶動軟件產業政策體系的不斷健全和完善，國內軟件產業又將迎來新的十年。
2 新、舊18號文分析比較
新18號文延續了2000年18號文大部分優惠政策，并在此基礎上，針對產業發展的薄弱環節，通過財稅、金融、市場、政府采購等多方面渠道構建了全方位的政策體系。
首先，從政策數量上看，新18號文在總結了2000年18號文發展經驗的基礎上，政策更細化，更具體，針對性更強，在多個方面加大了激勵的力度，并新增了一些政策，如研究開發政策，市場政策，這些都是2000年18號文中沒有提到的，進一步體現了鼓勵自主創新，促進產業升級的導向作用（表1）。
其次，從政策內容看，在2000年18號文的基礎上，政策更加細化，支持范圍更寬，培育力度更強，免征營業稅成為這次政策的最大亮點，并首次提出研究開發政策，加大R&D研發的投入比例，都將進一步促進產業的發展，下面將挑選幾條政策分析對比。
2.1財稅政策
新18號文在繼續實施2000年18號文軟件增值稅優惠政策基礎上，又增加了營業稅優惠，改變了以前只有從事技術轉讓、技術開發、技術咨詢、技術服務等業務才能免征營業稅，優惠范圍小的局面。對大范圍的軟件服務企業實行營業稅優惠，將極大的促進軟件企業從事軟件服務的積極性和提升軟件企業的服務業態的轉型，有利于推動經濟結構調整和產業結構升級[2]。
此外，對集成電路企業實行的所得稅“兩免三減半”[3]、“五免五減半”[3]優惠政策支持面更廣，支持方式更靈活，也將進一步促進集成電路行業技術發展。
2.2投融資政策
首先，投融資政策比2000年18號文更加具體，細化，2000年18號文中只提到“多方籌措資金”[4]和“為軟件企業在國內外上市融資創造條件”[4]，這些都比較籠統，在資金安排上并沒有明確指向，而在新18號文中提到“中央預算內投資給予適當支持”[3]，明確了“中央預算”，把軟件和集成電路項目的支持上升到國家層面。其次，在融資渠道上，新18號文跳出了以往“國家扶持，成立風險投資公司，設立風險投資基金”[4]等資金支持手段，而是更加強調政府的監管、引導作用，鼓勵企業利用社會資本，通過股票、債券等多種方式籌措資金。這些政策都將更加豐富完善投融資政策環境，拓寬了企業的融資渠道和提高了企業融資力度。
2.3研究開發政策
在新18號文中，首次增加了研究開發政策，進一步加強國內R&D的投入比例，這一舉措促進了企業的自主創新，加快具有自主知識產權技術的產業化和推廣應用，提升產品競爭力，從而提高國內企業的研發及自主創新能力，壯大中國軟件產品市場[5]。
2.4人才政策
引進人才方面，改變了以往以“人才吸引”為主的方式，新18號文中更加強調通過“期權、技術入股、股權、分紅權”[3]等多種方式調動人才積極性。人才培養方面，更加適應國際化需求，鼓勵校企合作，國內外聯合辦學，注重人才國際化及培養人才的專業技能，體現人才培養從“量”到“質”的提升。
3 新18號文下，南京軟件產業的契機
自2011年新18號文頒布以來，南京緊抓機遇，出臺了《關于以打造“一谷兩園”軟件產業集聚區為重點高標準建設中國軟件名城的意見》（寧委發〔2011〕39號），提出了“一谷兩園”的戰略思想，充分提升軟件產業集聚能力，經過兩年多的發展，“一谷兩園”集聚效應日益凸顯，南京正在向“世界軟件名城”邁進，新18號文能帶給南京哪些機遇呢？
3.1免征營業稅，為企業減負
關鍵字:EDA 電子設計自動化 設計工具 應用領域 發展趨勢
一、EDA技術的概念
EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫。由于它是一門剛剛發展起來的新技術，涉及面廣，內容豐富，理解各異，所以目前尚無一個確切的定義。但從EDA應用的層面來看,可以理解為:EDA技術是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計。從EDA技術的幾個主要方面的內容來看，可以理解為：EDA技術是以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計工具，通過有關的開發軟件，自動完成用軟件的方式設計電子系統到硬件系統的一門新技術。可以實現邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優化，邏輯布局布線、邏輯仿真。完成對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統或專用集成芯片。
二、EDA在各個領域的應用
EDA技術發展迅猛，逐漸在教學、科研、產品設計與制造等各方面都發揮著巨大的作用。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產、生物、醫學、軍事等各個領域，都有EDA的應用。目前EDA 技術已在各大公司、企事業單位和科研教學部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設計、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到EDA技術。
在教學方面：幾乎所有理工科（特別是電子信息）類的高校都開設了EDA課程。主要是讓學生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL語言編寫規范、掌握邏輯綜合的理論和算法、使用EDA工具進行電子電路課程的實驗并從事簡單系統的設計。一般學習電路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD開發工具（如Altera/Xilinx的器件結構及開發系統），為今后工作打下基礎。
在科研方面：主要利用電路仿真工具(EwB或PSPICE、VLOL等)進行電路設計與仿真；利用虛擬儀器進行產品調試；將OLI／FPGA器件的開發應用到儀器設備中。例如在CDMA無線通信系統中，所有移動手機和無線基站都工作在相同的頻譜，為區別不同的呼叫，每個手機有一個唯一的碼序列，CDMA基站必須能判別這些不同觀點的碼序列才能分辨出不同的傳呼進程；這一判別是通過匹配濾波器的輸出顯示在輸人數據流中探調到特定的碼序列；FPGA能提供良好的濾波器設計，而且能完成DSP高級數據處理功能，因而FPGA在現代通信領域方面獲得廣泛應用。
在產品設計與制造方面：從高性能的微處理器、數字信號處理器一直到彩電、音響和電子玩具電路等，EDA技術不單是應用于前期的計算機模擬仿真、產品調試，而且也在PCB的制作、電子設備的研制與生產、電路板的焊接、ASIC的流片過程等有重要作用。可以說電子EDA技術已經成為電子工業領域不可缺少的技術支持。
三、EDA技術的發展趨勢
從目前的EDA技術來看，其發展趨勢是政府重視、使用普及、應用文泛、工具多樣、軟件功能強大。
中國EDA市場已漸趨成熟，不過大部分設計工程師面向的是PC主板和小型ASIC領域，僅有小部分（約11%）的設計人員工發復雜的片上系統器件。為了與臺灣和美國的設計工程師形成更有力的競爭，中國的設計隊伍有必要購入一些最新的EDA技術。
在信息通信領域，要優先發展高速寬帶信息網、深亞微米集成電路、新型元器件、計算機及軟件技術、第三代移動通信技術、信息管理、信息安全技術，積極開拓以數字技術、網絡技術為基礎的新一代信息產品，發展新興產業，培育新的經濟增長點。要大力推進制造業信息化，積極開展計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助工藝（CAPP）、計算機機輔助制造（CAM）、產品數據管理（PDM）、制造資源計劃（MRPII）及企業資源管理（ERP）等。有條件的企業可開展“網絡制造”，便于合作設計、合作制造，參與國內和國際競爭。開展“數控化”工程和“數字化”工程。自動化儀表的技術發展趨勢的測試技術、控制技術與計算機技術、通信技術進一步融合，形成測量、控制、通信與計算機（M3C）結構。在ASIC和PLD設計方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發展。外設技術與EDA工程相結合的市場前景看好，如組合超大屏幕的相關連接，多屏幕技術也有所發展。中國自1995年以來加速開發半導體產業，先后建立了幾所設計中心，推動系列設計活動以應對亞太地區其它EDA市場的競爭。
在EDA軟件開發方面，目前主要集中在美國。但各國也正在努力開發相應的工具。日本、韓國都有ASIC設計工具，但不對外開放 。中國華大集成電路設計中心，也提供IC設計軟件，但性能不是很強。相信在不久的將來會有更多更好的設計工具有各地開花并結果。據最新統計顯示，中國和印度正在成為電子設計自動化領域發展最快的兩個市場，年復合增長率分別達到了50%和30%。
EDA技術發展迅猛，完全可以用日新月異來描述。EDA技術的應用廣泛，現在已涉及到各行各業。EDA水平不斷提高，設計工具趨于完美的地步。EDA市場日趨成熟，但我國的研發水平沿很有限，需迎頭趕上。
四、結語
EDA技術是以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計工具，通過有關的開發軟件，自動完成用軟件的方式設計電子系統到硬件系統的一門新技術。EDA技術的應用廣泛，現在已涉及到各行各業。EDA市場日趨成熟，但我國的研發水平沿很有限，需迎頭趕上。
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關鍵詞：ASIC 硬件描述語言HDL Verilog HDL VHDL SystemC Superlog 芯片系統SoC
引 言
硬件描述語言HDL是一種用形式化方法描述數字電路和系統的語言。利用這種語言，數字電路系統的設計可以從上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數字系統。然后，利用電子設計自動化（EDA）工具，逐層進行仿真驗證，再把其中需要變為實際電路的模塊組合，經過自動綜合工具轉換到門級電路網表。接下去，再用專用集成電路ASIC或現場可編程門陣列FPGA自動布局布線工具，把網表轉換為要實現的具體電路布線結構。
目前，這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。據統計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進行設計。
硬件描述語言HDL的發展至今已有20多年的歷史，并成功地應用于設計的各個階段：建模、仿真、驗證和綜合等。到20世紀80年代，已出現了上百種硬件描述語言，對設計自動化曾起到了極大的促進和推動作用。但是，這些語言一般各自面向特定的設計領域和層次，而且眾多的語言使用戶無所適從。因此，急需一種面向設計的多領域、多層次并得到普遍認同的標準硬件描述語言。20世紀80年代后期，VHDL和Verilog HDL語言適應了這種趨勢的要求，先后成為IEEE標準。
現在，隨著系統級FPGA以及系統芯片的出現，軟硬件協調設計和系統設計變得越來越重要。傳統意義上的硬件設計越來越傾向于與系統設計和軟件設計結合。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發展，出現了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、Cynlib C++等等。究竟選擇哪種語言進行設計，整個業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，也為發展我們未來的芯片設計技術打好基礎。
1 目前HDL發展狀況
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級和系統級都具有各自的用武之地。問題出現在系統級和實現級相連接的地方：什么時候將使用中的一種語言停下來，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。最后，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設計項目，他們愿意選擇哪種方案?結果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和C Level設計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。至于以后會是什么情況，連會議主持人John Cooley也明確表示：“5年后，誰也不知道這個星球會發生什么事情。”
各方人士各持己見：為Verilog辯護者認為，開發一種新的設計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認為，系統級芯片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；Superlog的捍衛者認為，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，因為美國軍事工業需要描述電子系統的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發。1987年，由IEEE（Institute 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/B版，于1987年批準，稱為IEEE 1076-1987。應當注意，起初VHDL只是作為系統規范的一個標準，而不是為設計而制定的。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，對于特大型的系統級數字電路設計，VHDL是較為合適的。
實質上，在底層的VHDL設計環境是由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調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
Verilog HDL是在1983年，由GDA（GateWay Design Automation）公司的Phil Moorby首創的。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Verilog-XL的仿真器；1986年，他對Verilog HDL的發展又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。1990年，Cadence公司決定公開Verilog HDL語言，于是成立了OVI（Open Verilog International）組織，負責促進Verilog HDL語言的發展。基于Verilog HDL的優越性，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的經驗。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，達到一種新的系統級設計語言標準呢?
Superlog就是在這樣的背景下研制開發的系統級硬件描述語言。Verilog語言的首創者Phil Moorby和Peter Flake等硬件描述語言專家，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系統設計語言，同時了兩個開發工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一個用于系統級開發，一個用于高級驗證。2001年，Co-Design公司向電子產業標準化組織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。Superlog是一種具有良好前景的系統級硬件描述語言。但是不久前，由于整個IT產業的滑坡，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展，SoC已經成為當今集成電路設計的發展方向。在系統芯片的各個設計中，像系統定義、軟硬件劃分、設計實現等，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較高層次的軟件和硬件描述的系統級設計語言。
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級設計語言的需求而合作開發的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公司、半導體公司和嵌入式軟件公司宣布成立“開放式SystemC聯盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了SystemC聯盟。SystemC從1999年9月聯盟建立初期的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
所有的SystemC都是基于C++的；圖1中的上層構架都是很明確地建立在下層的基礎上；SystemC內核提供一個用于系統體系結構、并行、通信和同步時鐘描述的模塊；完全支持內核描繪以外的數據類型、用戶定義數據類型；通常的通信方式，如信號、FIFO，都可以在內核的基礎上建立，經常使用的計算模塊也可以在內核基礎上建立；如果需要，圖1中較低層的內容不依賴上層就可以直接使用。
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、硬件和系統模塊。用戶可以在不同的層次上自由選擇，建立自己的系統模型，進行仿真、優化、驗證、綜合等等。
3.2 Superlog
Superlog集合了Verilog的簡潔、C語言的強大、功能驗證和系統級結構設計等特征，是一種高速的硬件描述語言。其體系結構如圖2。
① Verilog 95和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新的Verilog 2K的硬件模型。
② C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。
③ Superlog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，如隨機數據產生、功能覆蓋、各種專有檢查等。
Superlog的系統級硬件開發工具主要有Co- Design Automation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同時可以結合其它的EDA工具進行開發。
3.3 Verilog和VHDL
這兩種語言是傳統硬件描述語言，有很多的書籍和資料可以查閱參考，這里不多介紹。
4 目前可取可行的策略和方式
按傳統方法，我們將硬件抽象級的模型類型分為以下五種：
系統級（system）——用語言提供的高級結構實現算法運行的模型；
算法級（algorithm）——用語言提供的高級結構實現算法運行的模型；
RTL級（Register Transfer Level）——描述數據在寄存器之間流動和如何處理、控制這些數據流動的模型。（以上三種都屬于行為描述，只有RTL級才與邏輯電路有明確的對應關系。）
門級（gate-level）——描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型。（與邏輯電路有確切的連接關系。以上四種，數字系統設計工程師必須掌握。）
開關級（switch-level）——描述器件中三極管和存儲節點以及它們之間連接的模型。（與具體的物理電路有對應關系，工藝庫元件和宏部件設計人員必須掌握。）
根據目前芯片設計的發展趨勢，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核復用和系統級仿真綜合優化的需要，而軟件（嵌入式、固件式）也越來越成為一個和系統密切相關的抽象級別。
目前，對于一個系統芯片設計項目，可以采用的方案包括以下幾種：
① 最傳統的辦法是，在系統級采用VHDL，在軟件級采用C語言，在實現級采用Verilog。目前，VHDL與Verilog的互操作性已經逐步走向標準化，但軟件與硬件的協調設計還是一個很具挑戰性的工作，因為軟件越來越成為SOC設計的關鍵。該方案的特點是：風險小，集成難度大，與原有方法完全兼容，有現成的開發工具；但工具集成由開發者自行負責完成。
② 系統級及軟件級采用Superlog，硬件級和實現級均采用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，有集成開發環境。
③ 系統級和軟件級采用SystemC，硬件級采用SystemC與常規的Verilog HDL互相轉換，與原來的軟件編譯環境完全兼容。開發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++編譯器環境下開發；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，與原軟件開發兼容性好，硬件開發有風險。
5 未來發展和技術方向
微電子設計工業的設計線寬已經從0.25μm向 0.18μm變遷，而且正在向0.13μm和90nm的目標努力邁進。到0.13μm這個目標后，90%的信號延遲將由線路互連所產生。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有哪些？標準組織怎樣去面對？當設計線寬降到0.13μm，甚至更小時，將會出現四個主要的趨勢：
設計再利用；
設計驗證（包括硬件和軟件）；
互連問題將決定對時間、電源及噪聲要求；
系統級芯片設計要求。
滿足未來設計者需要的設計環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，沒有哪個公司或實體可以獨立解決。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業的作用將同等重要。
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，是設計工具開發過程的組件——互用性標準。我們知道，EDA工業采用的是工業上所需要的標準，而不管標準是誰制定的。但是，當今市場的迅速發展正在將優勢轉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，那些沒有參加開發這些標準的公司則必須獨自承擔風險。
② 擴展其高級庫格式（ALF）標準，使其包含物理領域的信息，是EDA開發商可以致力于解決互連問題的算法，從而使電路設計者在解決設計收尾工作時，不再受到這個問題的困擾。
③ 制定新的系統級設計語言標準。標準化系統芯片的設計工具和語言，使SoC真正達到第三次微電子設計革命浪潮。
6 國內發展的戰略選擇
由于目前IT行業不景氣，以及ASIC設計復雜程度不斷增加，各EDA公司出現了合并調整的趨勢。Synopsys合了Avant！和Co-Design，Cadence合了GDA等，形成了幾大巨頭的局面。而各可編程器件廠商，像Xilinx和Altera，也積極與EDA緊密合作，因此，我們必須抓住這個時機，全力發展；不然，就要面對以后與壟斷巨頭進行競爭的事倍功半的不利局面。
針對目前硬件描述語言的發展和國家芯片制造生產的發展戰略，國內如何在原EDA基礎薄弱的情況下迅速發展，使EDA成為一個合理、健康而必不可少的產業；將基礎研究活動與獨立產業的作用合理的結合，建議開展如下方面的工作：
① 為了實現我國的芯片設計自主化，必須夯實基礎，在結合VHDL的基礎上，推廣Verilog HDL設計語言，使硬件設計的底層單元庫可以自主研制；
② 根據目前芯片系統的發展趨勢，對系統級語言進行比較研究，在Suoerlog、SystemC等語言中做出選擇，并進行相關工具的推廣，以及與相關企業進行合作等；
③ 深入HDL語言的綜合和仿真等模型的研究，努力在與國外合作的基礎上，建立自主知識產權的EDA公司；
④ 積極加入EDA目前正在進行的標準化工作，做到了解、學習、應用、吸收、參與并重；
本項目受大學生創新訓練計劃資助，項目編號：201210425030
一、簡介
隨著通信網絡技術和集成電路設計的高速發展，嵌入式系統己成為了IT業的一個焦點"嵌入式技術己經無處不在，從隨身攜帶的mP3！語言復讀機、手機、PDA到家庭之中的智能電視、智能冰箱、機頂盒，再到工業生產、娛樂中的機器，無不采用嵌入式技術"近幾年，嵌入式系統產品漸漸完善，并在全世界各行業得到廣泛應用"目前，嵌入式系統產品的研制和應用已經成為我國信息化帶動工業化！工業化促進信息化發展的新的國民經濟增長點"隨著消費家電的智能化，嵌入式更顯重要，像我們平常見到的手機、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DvD、mp3player、數字相機（ne）、數字攝像機（nv）、u盤、機頂盒（setTopBox）、高清電視（HDTv）、游戲機、智能玩具、交換機、路由器、數控設備或儀表、汽車電子、家電控制系統、醫療儀、航天航空設備等等，都是典型的嵌入式系統"隨著Intemet的迅速發展和價格更為低廉的微處理器的出現，嵌入式系統將在日常生活里形成更大的應用領域"[1]。
嵌入式處理器選擇 AT91SAM9X35。鑒于AT91SAM9X35芯片是BGA，自己不能焊接，故采用外購的方式，核心板板采用長沙思意美達電子科技有限公司的SYMD9X35，該核心板包括了1個AT91SAM9X35，400MHz，ARM926ejs內核，128MB DDR2 SDRAM，256MB NandFlash，能滿足設計需要。母板采用自己設計的方式，根據本設計需要及后續功能擴展，包含了電源模塊，1個串口，3個USB接口，1個7寸LCD接口，1個10/100M自適應以太網接口，2個LED指示燈等，核心板電路圖見圖1。
圖1.核心板電路圖
二、 Linux系統移植
嵌入式操作系統選擇 Linux。選擇 Linux 實時操作系統最主要的原因是它的開源性，不僅可以從網上免費獲取內核源碼，還能獲取很豐富的驅動代碼。另基于Linux開發的應用具有很強的可移植性，編寫好的應用程序在PC上調試沒問題，可以很快的移植到嵌入式ARM系統上，降低了開發難度。Linux系統在AT91SAM9X35上的移植主要包括：AT91Bootstrap，u-boot，kernel內核，fs文件系統。
三、 母板的設計開發
A）. 電源部分
系統的供電是5V適配器，而核心板和大部分芯片都是3.3V供電，故需要將5V轉變成3.3V，可采用DC/DC方式，也可以采用LDO方式，LDO具有高穩定性，低紋波，電路簡單等特點，故本設計采用LDO的方式。選用SPX1587AT-3.3芯片，該芯片輸入范圍4.75V到10V，壓差低至1.1V，輸出最大電流3A，可滿足設計需要。具體電路如下圖。
B）. 核心板部分
核心板是外購的，只需要根據廠家的要求，給核心板供電，并把需要的引腳引出即可，如下圖。
D）. 以太網部分
為方便以后擴展，如加入智能家庭實現遠程控制，特加了以太網部分。由于AT91SAM9X35芯片已接有網絡MAC，只需要外擴一片PHY即可，采用DM9161BIEP芯片，該芯片穩定性好，價格低廉，廣泛應用各行各業。原理圖如下。
E）. USB部分
由于AT91SAM9X35芯片已經集成了USB的控制與PHY，故只需引出相應的引腳到常用的USB接口上即可，為保護USB設備和系統，特加了500mA的自恢復保險，原理圖如下。
F）. 串口部分
為方便Linux系統的開發調試，需要至少加一個串口，采用最常用的SP3232芯片即可實現，如下圖。
四、 推廣應用前景、效益分析與市場預測
隨著如今社會各個行業業務處理方式越來越傾向于電子化，各式各樣的數據存儲設備也隨著市場的需要逐漸的換代升級。對于存儲設備而言，優盤以及移動硬盤這種以USB接口為主要數據交換渠道的數據存儲設備，其對于電腦的依賴性很大，只可以通過電腦進行數據的載入與輸出，對于經常出差的人群極為不便。本產品主要針對于此種問題，更加快捷的進行數據的交換、查看，并且相較于電腦更加節約資源，操作簡單，具有很大的市場價值。
