集成电路工艺与设计

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集成电路工艺与设计范文第1篇

关键词： 有限域； 模乘； 模2运算； 硬件设计

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2012）04-21-03

Design and implementation of a modular multiplication circuit of low power and high speed

Cheng Guihua1,2, Qi Xuemei1,2, Luo Yonglong1,2, Zuo Kaizhong1,2

（1. College of Mathematics and Computer Science， Anhui Normal University， Wuhu， Anhui 241000， China；

2. Research Center of Network and Information Security， Anhui Normal University， Anhui Normal University）

Abstract： The finite field arithmetic is the base of cryptography and modular multiplication is one of core operations. Based on analysis of finite field modular multiplication, the authors design a modular multiplication circuit in Verilog HDL, and its modular multiplication is realized by FPGA in finite fields. The circuit uses double-edge-triggered register, and realizes small-scale, low power consumption and high speed. It implements modular multiplication to reduce its scale and it has practical value for hardware implementation of encoding algorithm.

Key words： finite fields； modular multiplication； modular 2 arithmetic； hardware design

0 引言

加密是保证信息安全的主要途径之一，被广泛应用于信息技术的各个方面，如智能卡、手机银行、无线局域网和传感网等便携式设备中。因此设计快速、低功耗的硬件加密模块至关重要。加密算法基于有限域的运算，而模乘运算是有限域运算的核心运算之一，其运算速度对加密算法的实现起着重要作用，其功耗的高低会直接影响使用性能。

模乘运算是基于有限域的多项式乘法的模运算，一般通过移位和模2加运算代替多项式乘法和除法运算。文献[1-5]从算法的角度对如何提高模乘运算效率进行了讨论。本文分析了模乘运算的原理与特点，综合软硬件知识设计了一种小规模、快速、低功耗的模乘运算电路模乘电路使用Verilog HDL设计，在Quartus II开发软件中仿真，通过FPGA实现。电路引入双沿工作的寄存器，在系统工作时钟频率不变的情况下，不仅使模乘运算的速度加倍，还可使电路的功耗大大降低。

1 模乘算法

有限域GF(2n)上二进制多项式系数运算以2为模，运算时不考虑进位和借位。模2加减是按位执行“异或”运算，模2乘除则采用模2加减计算部分积和部分余数。若被乘数f(x)、乘数g(x)、模m(x)多项式定义如式⑴⑵⑶所示：

则有限域GF(2n)上模乘运算如公式⑷[6]所示。

若直接根据公式⑷在GF(2n)上执行多项模乘运算，需要用到多项式乘法和除法运算，时间开销较大，也难以用软件硬件实现[7-8]，因此我们将式⑷变换为式⑸[6]：

式⑸表明：xi×g(x)多项式模乘运算可以重复使用i次式⑸来实现。这样一来，在有限域GF(2n)上，式（4）定义的多项式模乘运算可以直接使用两个n位的二进制整数相乘，并通过多个中间结果作移位和模2加来实现。

2 模乘运算器电路设计与实现

2.1 电路设计

基于式⑸的模乘运算器的电路结构如图1所示。加电后电路按如下时序工作：

第一步，当Clr端收到负脉冲“ ”时，fxl、gxr和fgxm寄存器异步装入初值（如图1所示）。

第二步，当寄存器fxl的最高位为“1”，fxl mx fxm，实现模乘运算；否则fxlfxm。当寄存器gxr的最低位为1时，fgxm fxmfxm1；否则fgxmfxm1。

第三步，在时钟信号的作用下，电路同时完成如下三项工作：一是将fxm1存入fgxm寄存器；二是将fxm左移一位（低位补“0”）存入fxl寄存器；三是将gxr寄存器内容右移一位（高位补“0”）。重复第二、三步直到gxr寄存器为全“0”时，运算结束。fgxm寄存器的内容为所需的多项式模乘运算的乘积，通过fgx输出。

图1 模乘运算器电路结构示意图

模乘运算电路的规模取决于所采用的控制电路的规模。在图1中，将模运算（fxm）和左移操作合二为一，减少了电路的运算步骤与工作延时；利用乘数寄存器gxr右移时空出的高位补“0”，当gxr寄存器的值为全“0”时完成一次模乘运算。这样设计，一方面不需要额外增加控制电路，减少了模乘运算器电路的规模；另一方面加速了运算过程，完成一次模乘运算平均只需n/2个时钟边沿信号。

2.2 快速低功耗设计

模乘运算器的主要逻辑部件之一是寄存器，时钟信号是寄存器必备的输入信号之一。传统的寄存器仅对时钟的上升沿或下降沿敏感，十个单边沿触发器[9]，在另一方向上的时钟跳变成为一种冗余跳变，所对应的功耗也是多余的。如果能对时钟信号的两个边沿都能敏感，不仅可以降低电路的功耗，还可以使模乘运算器的运算速度加倍，从而提高系统的效率。依据文献[10]的设计思想和主从触发器的工作原理，我们利用“与非“门”组成双沿触发器的寄存器并用于模乘运算器器电路中（如图1中的fxl、gxr和fgxm寄存器），使模乘运算速度加倍、功耗减半。两种模乘运算器的工作波形如图2所示。

由图2可知，相对于单边沿寄存器组成的模乘运算器而言，在相同频率时钟的作用下，双边沿寄存器组成的模乘运算器运算速度加倍，同时避免了时钟冗余跳变，从而大幅降低了模乘运算器电路的功耗。

(a) 单边沿模乘运算器波形图

(b) 双边沿模乘运算器波形图

图2 单、双边沿乘法器时序对比图

3 仿真波形与实例分析

我们应用Verilog HDL语言设计基于有限域高速、低功耗的模乘运算器电路模型，并用Visual FoxPro语言进行了软件验证，证明所有运算结果完全正确。选择EP2C5Q208CN芯片，在Quartus II开发工具中配置、综合和优化后通过Quartus II中的Programmer工具下载到芯片中，可以快速稳定地实现模乘运算操作且占用面积小，达到预期设计目标。

图2是f(x) =x6+x4+x3+x2+x+1，g(x) =x5+x4+x2+1在有限域GF(28)中以m(x)=x8+x4+x3+x+1为模的多项式模乘运算仿真波形；模乘运算过程如表1所示。

在有限域中,每个多项式都可以表示为二进制整数，反之亦然，也就是说m(x)=x8+x4+x3+x+1等价于二进制数100011011B或十六进制数11BH，f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH、g(x)=x5+x4+x2+1=35H。图2中的各数值为相应多项式系数的十六进制表示。

由表1可知，计算步骤1、2在单边沿模乘运算器中需要使用T1和T2两个时钟的上升沿，而在双边沿模乘运算器中只需要使用一个时钟T1的上升沿和下降沿完成，这不仅加速了运算过程，同时也减少了时钟的冗余跳变，降低了功耗。

表1中计算步骤1为初始化操作。计算步骤2中，首先因gxr(x)=x5+x4+x2+1=35H多项式系数的第0位为1，模乘部分积fgxm(x)=fgxm(x)+fxm(x)=0+x6+x4+x3+x2+x+1=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH；其次fxm(x)、gxr(x)分别左移和右移一位得到fxl(x)=x7+x5+x4+x3+x2+x=0BEH、gxr(x)=x4+x3+x1=1AH、并因移位前fxm(x)多项式系数的最高位为0，fxm(x)=fxl(x)=x7+x5+x4+x3+x2+x，这为下一步骤中模乘部分积的计算准备好数据；重复上述操作，直到多项式gxr(x)=0，通过finsh输出正脉冲“ ”，表示完成一次模乘运算，运算结果通过fgx输出。

表1 模乘运算过程（f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1、g(x)=x5+x4+x2+1、m(x)=x8+x4+x3+x+1）

[[步骤\&fxl(x)\&gxr(x)\&fxm(x)\&fgxm(x)\&时钟

（图2（a））\&时钟

（图2（b））\&1\&=x6+x4+x3+x2+x+1\&=x5+x4+x2+1\&=x6+x4+x3+x2+x+1\&=0\&T1\&T1\&2\&=21fxm(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x\&=2-1gxr(x)

=x4+x3+x1\&=fxl(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x\&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x6+x4+x3+x2+x+1\&T2\&T1\&3\&=21fxm(x)

=x8+x6+x5+x4+ x3+ x2\&=2-1gxr(x)

=x3+x2+1\&=fxl(x) mod m(x)

=x6+x5+x2+x1+1\&=fgxm(x)

=x6+x4+x3+x2+x+1\&T31\&T2\&4\&=21fxm(x)

=x7+x6+x3+x2+x1\&=2-1gxr(x)

=x2+x1\&=fxl(x)

=x7+x6+x3+x2+x1\&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x5+x4+x3\&T4\&T2\&5\&=21fxm(x)

=x8+x7+x4+x3+x2\&=2-1gxr(x)

=x1+1\&=fxl(x) mod m(x)

=x7+x2+x1+1\&=fgxm(x)

=x5+x4+x3\&T5\&T3\&6\&=21fxm(x)

=x8 +x3+x2+x1\&=2-1gxr(x)

=1\&=fxl(x) mod m(x)

=x4+x2+1\&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x\&T6\&T3\&7\&=21fxm(x)

=x5+x3+ x1\&=2-1gxr(x)

=0\&=fxl(x)

=x5+x3+ x1\&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x7+x5+x3+ x1\&T7\&T4\&8\&因gxr(x)=0，模乘运算完成，fgxm(x) = x7+x5+x3+ x1为模乘的乘积\&]]

4 结束语

通过“移位”和“异或”基本逻辑实现有限域模乘运算，电路规模小、运算效率高；电路引入双沿工作的寄存器，在系统工作时钟频率不变的情况下，不仅使模乘运算的速度加倍，还可避免时钟信号的冗余跳变，使电路的功耗大大降低。

参考文献：

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集成电路工艺与设计范文第2篇

关键词：现代；光纤通信；光电集成；路集成电路；设计分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）24-0042-02

Abstract： in today's society is the information of the rapidly developing society， all kinds of high and new technology emerges unceasingly， the communication system is particularly important， communication system and the integrated circuit has been inseparable. How to make use of integrated circuit technology to design high performance integrated circuit of the electronic information technology industry is an urgent need to solve the problem. This article will briefly introduced the optical fiber communication optoelectronic integrated circuit design and analysis process.

Key words： modern； optical fiber communication； photoelectric integration； road integrated circuit； design and analysis

随着国家的发展，社会的进步，人类的生活已经离不开通信方式了，各种各样的交流活动都是需要通讯的传递的。不管我们通过何种方式、何种途径，只要将我们想要传递的信息传递到另外一个地方，就是称为通信。古代所传递信息的方式方法也是多种多样的。但是它们相对来说特别落后，时间也会非常地久。而现代的通信方式中，电话通信是应用最广泛的一种。

1 什么是光纤通信

近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的全面开放，光纤通信的发展呈现了一番全新的景象。所谓光纤通信就是一种以光线为传媒的通信方式，利用广播实现信息的传送。光纤通讯就是以光导纤维作为信号传输介质的通讯系统。具有抗干扰性好，超高带宽等特点。

如今社会我们使用的光纤通信有许多的优点，例如，它可以传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，这样一来，节约了许多资源和能源，有利于资源合理地开发和使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，同时它也可以用在特殊环境或者军事行动中。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。

2 集成电路的实现

集成工艺技术也就是在最近的一二十年取得了飞速的发展。随着元器件尺寸大小的不断减小，集成电路的集成速度也在不断地提高。发展迅速的集成电路工艺技术为通信系统的发展奠定了坚实的基础。当下，利用光电集成电路实现的光的发射和接收装置已经被各个实验室所广泛使用。光电集成电路在单片上集成的光和电元件越来越多了，这就是光电集成电路速度越来越快的原因。

3 光纤通信现状

光纤通信技术的发展带动了光纤产业的进步。想要实现光发射与光电集成电路是非常容易的，但是想要实现高速系统的混合集成是非常困难的。由于毫米波信号是狭窄的，所以可以使用混合集成工艺来实现毫米波系统，我们可以这样来设计集成电路及其组成部分，使其波段上的输入和输出阻抗保持在大约50欧姆左右，即使用50欧姆的传输线来连接元器件和集成电路。此外，例如激光驱动、时钟恢复、数据判决、复接、光接收放大等各种类型的模拟、数字、混合集成电路依然可以轻松实现，这是因为电路也可以设计成输入输出是50欧姆的阻抗。想要利用混合方法实现高速光发射机与接收机的真正困难所在是激光二极管和光检测器的阻抗不是50欧姆。尤其是激光二极管，他的非线性无法进行混合集成的。没有合适的匹配网络将基带数据信号从激光二极管连接到驱动器或者从光检测器连接到前置放大器上，就会大大地降低了系统的操作性能。这样相比利用光发送和光接收的集成电路来实现是十分简便的。利用光集成电路实现光发射和接收不仅可靠性高而且成本低。但是用光电集成电路也是具有一定的挑战性的，制作光元件和电子电路所需要的材料是存在一定的差别的。现在制造高速光发射和接受光电集成电路在光传输系统中是十分必要的。这个设计工艺的难点在于要形成材料，即适合制造光电器件和电子电路所需要的制作材料，此外还要设计出光电集成电路。现实很残酷，大家仍需努力。

4 光电集成电路

光发射机光电集成电路一般是由同一底上的激光二极管和驱动电路构成的。集成电路其中包括了电子元器件结构的生长、激光、激光二极管、电阻器、晶体管等电子元件的制造，其中光电元件和金属化连接是比较困难的。在外延生长的衬底上，大概需要三个工序来集成光电集成电路，分别为制作激光二极管、制作电子电路、进行光电元件之间的连接。首先要制作激光二极管，激光二极管的P型区域欧姆接触层通过 蒸发形成金属状态，随后利用光刻法来生成激光二极管的大概区间，然后进行湿法刻蚀形成接触激光二极管的N区区间，最后在活性离子刻蚀体系中完成刻蚀过程，直到遇到AGAAS层后停止刻蚀过程。AGAAS层能隔离电子电路机构和激光结构，形成一种薄膜电阻，从而形成第一金属层和空气桥两个连接层。我们通常采用空气桥连接激光二极管的P区，采用第一金属层连接激光二极管的N区，这样就能很好地实现激光二极管和电子电路层的连接。这就实现了一个量子激光器的光电集成电路了。制作光电集成电路的芯片也是存在一定的难度的，目前端面反射激光镜的干腐蚀技术尚未成熟，只能用解离的方法来完成，所以说集成激光驱动器电路还有很大的空间有待开发。

光电集成电路分别是由光检测器、前置放大器以及主放大器构成的，这其中包括数据判决器、时钟恢复和分接电路。光检测器的集成是光电集成电路中最重要的一个部分，而金属-半导体-金属光检测器（MSM）因为只需要少步骤的追加工艺，和如名字一般较为实惠且广泛的材料在雪崩类型光电检测器和p-i-n被广泛运用的同时也被单片集成光接收机广泛的使用着。

在设计中第一级为基本放大单元，是共源放大电路且带有源负载，电阻的反馈由电压并联负反馈，电平位移级使用的是两级源级跟随器，它被接入到后面，与此同时，又需要引进一个肖特基二极管，这样就起到了一个降低反馈点的直流电平所特需的水平的作用，达到了这样一个效果后，在偏低压的条件下，电路同样可以正常工作。

5 主要工艺流程

第一步，我们要准备好充足的材料，对材料进行结构和参数方面的设计计算，并确定材料的外延生长，来确定集成方式及集成所需要的元器件。第二步，对PD台面进行腐蚀，首先腐蚀掉INP层露出HEMT的帽层，把MSM保留在芯片上，即通过把PD台面以外的PD层材料腐蚀掉来露出HEMT层。第三步就是进行器件的隔离工作，仍然使用台面腐蚀的办法将HEMT和PD元器件之间隔离起来，想要实现比较好的隔离效果就一定要准确的腐蚀到半绝缘衬底上。最后就是保护芯片的工作了，在芯片表面沉淀一层介质，这样不仅保护了芯片表面还成为了源漏的辅助剥离介质。

6 结束语

光纤通信技术作为通信产业中的支柱，是我们现如今社会中使用最多的通信方式。即使在现在的社会当中，光纤通信技术得到了十分稳定有效的发展，但是现在科技发展如此之快，越来越多的新技术涌现出来，我国的通信技术水平也得到了明显的改善与提高，光纤通信的使用范围和价值也在悄悄地扩张。但是光纤通信技术为了迎合网络时代，必须有更高层次的发展，才能占据市场的主流地位。我相信随着光通信技术更加深入地发展，光纤通信一定会对整个通信行业甚至社会的进步起到举足轻重的作用。

参考文献：

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[3] 汤乃云.“集成电路工艺原理”课程建设与教学改革探讨[J].中国电力教育，2012（29）.

集成电路工艺与设计范文第3篇

关键词：多媒体；集成电路工艺；教学

中图分类号：G642.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）42-0243-02

一、引言

近年来，随着计算机技术的飞速发展，多媒体技术在微电子教学领域的应用也越来越广泛[1，2]。多媒体教学突破了传统教学模式信息贫乏、形式单一的限制，拓宽了学生的视野，丰富了教学内容，增强了课堂教学的生动性，提高了课堂教学质量。[3]研究表明，合理运用集文字、图片、声音、视频于一体的多媒体教学手段，有利于充分调动学生的眼、耳、手、大脑等感官，立体式、全方位地拓宽学生对知识的感知度，进而提高学生对知识的消化和吸收，从而使学生真正理解和掌握所讲授的内容。[4]多媒体教学在扩充学生知识面、增强课堂生动性、提高教学质量和效率等方面确实产生了良好效果。然而，随着多媒体教学的广泛应用，由于多媒体自身的缺陷，致使多媒体教学的弊病在电化教学改革过程中也逐步地呈现出来[5，6]。特别是在理工科课程教学改革中，盲目利用多媒体教学完全替代传统教学模式，多媒体教学的不足则更加突显。比如，理论推导过程过快，学生无法完全理解；课件频繁换页，致使学生无法掌握课程的脉络和知识体系的构架等等。当然，与传统教学模式相比，多媒体教学确实存在许多优点，但是一味地追求多媒体教学而忽视传统教学，也会降低课程的教学质量。因此，只有扬长避短、优势互补，根据不同的教学内容和目标选择合理的教学模式，才能达到事半功倍的教学效果[7-9]。

二、多媒体在集成电路工艺教学中的优势

1.清晰地展现工艺流程。集成电路工艺是一门微电子学科重要的基础课程，它涉及知识面广、基础理论抽象、工艺过程繁杂等特点。学生在学习的过程中，由于缺乏实验设备的支撑，很难对工艺流程清晰地理解和掌握。传统“黑板加粉笔”的教学方式无法满足实际教学的需求。利用多媒体课件教学可以将工艺流程清晰、直观、快速地展现出来，结合文字、图片和视频等多媒体资料，能够让学生准确地把握集成电路工艺流程中的步骤及其每个细节。

2.缓解内容多课时少的矛盾，提高教学效率。集成电路工艺的教学过程是一个不断提出问题（技术要求）、引导学生分析问题并解决问题（工艺实现）的过程。教师在这一过程中将花费大量的时间去启发学生，让学生在大脑中逐步完善知识间的联系和结构。这时，教师利用多媒体课件将本该在黑板上书写的文字、公式、图像直接显示在屏幕上，有效地节约了板书的时间，在单位授课时间内可以讲授更多的内容，从而大大扩充了学生的知识面，缓解了集成电路工艺教学内容多、工艺繁、学时少的矛盾。

3.直观呈现微观领域的变化过程。在集成电路工艺教学过程中，涉及到许多微观领域中的概念、理论及其变化过程。在传统教学模式中，由于微观世界的抽象性，学生很难完全理解其基本理论及其演化过程。利用多媒体图片和动画技术，可以把较难描述的微观变化过程直观、形象、生动地展示出来，使教学过程不再是枯燥地从理论到公式的推导和演算，可以把理论和实践更好地结合起来，把抽象思维和形象思维紧密地联系起来。

总之，在集成电路工艺教学过程中，多媒体教学手段只要运用得当，既能吸引学生注意力，激发学习兴趣，也能调动学生各种感官参与学习，加速感知、理解和记忆，收到事半功倍的效果。

三、多媒体在集成电路工艺教学中存在的问题

1.盲目利用多媒体替代板书讲授理论演算过程。多媒体课件前一屏幕上的内容总是随着幻灯片的翻页而消失，它与传统教学中的板书不同，不能长时间保留教学所需要的内容。在集成电路工艺教学中涉及到许多理论的推导和演算，这些过程在一张幻灯片中很难完成，需要多张幻灯片的切换。随着幻灯片的翻页，一些定理定律的意义或前期推导结果在学生记忆中也随之淡忘，这就造成了学生在思维连续性和迁移性上产生一定的障碍，严重影响了学生在学习过程中整体概念的形成，影响了整个知识体系的构建。

2.过分渲染视听效果分散学生的注意力。为了吸引学生的注意力，避免教学内容的抽象和枯燥，刻意在课件中增加了许多音效和动画效果等，就会造成学生在上课的时候只专注于那些动画和音乐，而忽略了专业知识的学习，这样不但达不到预期的教学目标反而影响整体教学质量。

3.课件制作粗糙。课件内容本来应该是教学重点和难点内容的集中体现，然而，有些教师为了简便，在课件制作过程中，课件内容只是书本的翻版，甚至直接拿来使用别人的课件。这样教师将无法主动、准确地把握教学内容，只是书本内容的重复，从而学生根本找不到教学重点，正如学生所说的“想记笔记，但满屏都是字，不知道该记哪些内容。”

4.忽视了与学生的互动。利用多媒体教学，教师的肢体语言变少，课堂教学的互动性与感染力没有传统教学强，而且由于教学内容的增多，讲课速度变快，学生一旦走神就很难与后面的知识合理地衔接。教学过程本来应该是师生之间一种情感的交流过程，但是随着多媒体教学的盲目应用，教师和学生的注意力主要集中在课件中，从而忽视了这种目光的交流，一旦学生疲惫，很难达到较高的教学质量。

四、在集成电路工艺教学中合理运用多媒体的几点建议

1.合理安排教学内容与教学模式的关系。由于不同的学科具有不同的学科特点，并不是所有学科都适用于用多媒体取代传统教学模式，特别是对于理工科课程。针对集成电路工艺这门课程，重点内容主要集中在工艺的基本原理、工艺流程上，其中涉及到的理论推导过程不适宜使用多媒体教学讲授。原因在于其理论推导过程较为繁杂，学生不可能一蹴而就，做到在短时间内完全理解，因此，最好使用板书来演示。这种做法的优势体现在教师在书写板书的过程中，学生会有充足的时间去理解和吸收其中的原理、方法以及思想。此外，为了使授课中集成电路工艺流程呈现出严密的逻辑性和完整性，教师最好把主要内容提纲挈领地写在黑板上，而不是随着幻灯片的切换而消失，这样可以使学生在整个课堂的教学过程中，通过视觉的感知反复复习、记忆，理解整个工艺流程。

2.处理好多媒体课件与教师间的关系。表面上，多媒体课件与教师间的关系是很容易处理的关系，教师是主导，多媒体课件是辅助。然而，在实际教学过程中，教师经常颠倒了这样的主次关系，把自己当成解说员或朗诵者，甚至按照屏幕上的内容念一遍，这样就会把课件变成课堂的主体，自己成为辅助工具，从而大大降低课堂的教学质量。教学过程本质上应该是把多媒体课件作为一种教学的辅助工具，教师充满激情的讲授、与学生的互动以及黑板上的书写等形式作为课堂教学的主要形式。

3.处理好师生的互动关系，发挥学生的主观能动性。教师在教学过程中要注意学生的信息反馈，了解学生对知识的掌握程度，从而调整安排课程的进度。在使用多媒体教学的过程中，往往会出现教师的注意力过于集中在课件上，从而忽略了学生的反应，甚至有时会出现随着幻灯片的切换，学生会对上一页幻灯片中的知识脑海中呈现空白，表现为茫然或不解的现象。这时教师应该注意观察学生的面部表情，也可以使用询问或提问的形式了解学生的知识掌握程度，再根据实际情况调整预先安排的进度，不要盲目按备课进度一直进行下去而不管学生的实际学习效果。同时，教师应该运用各种方法和技术充分调动学生的学习积极性，发挥学生的主观能动性，使被动学习变为主动索求，进而收到良好的教学效果。

五、结论

多媒体技术作为教学方式中的一种辅助工具，它弥补和完善了“黑板加粉笔”传统教学模式的不足，利用多媒体辅助教学可以增加课堂教学的生动性，使学生保持高度的兴奋，思维积极活跃，有利于提高课堂教学效果。然而多媒体技术也是一把双刃剑，如果盲目过多地滥用多媒体教学也会产生不利的后果。更重要的还是应该遵循课程自身的特点，认真分析教学内容是否适合于多媒体教学，应用现代化教学手段，恰当地运用多媒体，才能真正发挥多媒体的功能，起好辅助课堂教学的作用。

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集成电路工艺与设计范文第4篇

【关键词】电子信息科学与技术微电子课程体系建设教学改革

【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開设《微电子技术基础》的意义

目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。

2.目前学科存在的问题

目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。

近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。

3.微电子课程设置

出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。

微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。

构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。

第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。

第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。

4.教学模式

目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。

教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。

教学形式：课内理论教学+课外拓展。

1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。

2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。

考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。

5.结语

集成电路工艺与设计范文第5篇

数字集成电路低功耗优化设计

随着科技的不断发展和进步，在集成电路领域当中，数字集成电路的增长速度飞快，在各种新技术的应用之下，集成电路系统的集成度和复杂度也有了很大的提升。对着移动设备、便携设备的广泛应用，使得数字集成电路面临着越来越严峻的功耗问题。因此，在数字集成电路的未来发展当中，低功耗优化设计已经成为一个主要的发展趋势，在数字集成电路的工艺制造、电路设计等方面，都发挥着巨大的作用。

一、低功耗优化设计的方法和技术

对于可移动、便携式的数字系统来说，功耗具有很大的作用。因此在设计数字电路的时候，应当分析其功耗问题。在设计数字集成电路的过程中，要对功耗、面积、性能等加以考虑。而在这些方面，存在着相互关联和约束的关系。因此，在对数字电路性能加以满足的前提下，对设计方案和技术进行选择，从而实现低功耗优化设计。具体来说，应当平衡性能、面积、功耗方面的关系，防止发生浪费的情况。对专用集成电路进行高效应用，对结构和算法进行优化，同时对工艺和器件进行改进。

二、数字集成电路的低功耗优化设计

1、门级

在数字集成电路的低功耗优化设计中，门级低功耗优化设计技术具有较为重要的作用，其中包含着很多不同的技术，例如路径平衡、时许调整、管脚置换、们尺寸优化、公因子提取、单元映射等。其中，单元映射是在设计电路中，在逻辑单元、门级网表之间，进行合理的布局布线。公因子提取法能够对逻辑深度进行降低、对电路翻转进行减小、对逻辑网络进行简化从而降低功耗。路径平衡则是针对不同路径的延迟时间，对其进行改变，从而降低功耗。

2、系统级

系统级低功耗优化设计当中，主要包括了软硬件划分、功耗管理、指令优化等技术。其中，软硬件划分主要是对硬件和软件在抽象描述的监督，对其电路逻辑功能加以实现，通过对方案的综合对比，选择低功耗优化设计方案。功耗管理是针对电路设计不同的工作模式，将空闲模块挂起，从而降低功耗。而指令优化则包含指令压缩、指令编码优化、指令集提取等，通过对读取速度、密度的提升，使功耗得到降低。

3、版图级

在版图级低功耗优化设计中，需要对互联、器件等同时进行优化，对着集成电路工艺的发展，器件尺寸的减小，功耗也就自然降低。同时由于具有更快的开关速度，因此可以根基不同情况，在电路设计中选择合适的器件进行优化。而对于系统来说，互联作为连接器件的导线，对于系统性能也有着很大的影响。在信号布线的过程中，可以增加关键、时钟、地、电源等信号以及高活动性信号的横截面，从而降低功耗和延时。

4、算法级

在算法级低功耗优化设计当中，需要对速度、面积、功耗等约束条件加以考虑，从而对电路体系编码、结构等进行优化。在通常情况下，为了提升电路质量、降低电路功耗，会采用提高速度、增加面积等方法来实现。算法级低功耗优化设计与门级、寄存器传输级不同，这两者都是对电路的基本结构首先进行确定，然后对电路结构再进行低功耗优化调整。在算法级低功耗优化设计当中，主要包括并行结构、流水线、总线编码、预计算等技术。

5、电路级

在电路级低功耗优化设计中，NMOS管阵列构成的PDN完成了逻辑功能，其中只需要少量额晶体管，具有较快的开关速度，同时由于具有较低的负载电容，不存在短路电流。在电源与第之间，没有电流通路，因此不会产生静态功耗，对于总体功耗的降低有着很大的帮助。同时，在应用的异步电路当中，在稳定状态时，输入信号才会翻转，从而避免了输入信号之间的竞争冒险，也避免了功耗浪费。

6、工艺级

在工艺级低功耗优化设计中，主要包括按比例缩小、封装等技术。随着技术的发展，系统拥有了更高的集成度，器件尺寸得以减小、电容得以降低，在芯片之间，通信量也有所下降，因此功耗也能够得到有效的控制。其中主要包括了互连线、晶体管的按比例缩小。芯片应当进行封装，充分与外界相隔离，从而避免外界杂质造成腐蚀，降低其电气性能。而在封装过程中，对于芯片功耗有着很大的影响。通过合理的进行封装，能够更好的进行散热，从而是功耗得到降低。

7、寄存器传输级

在设计数字集成电路的过程中，寄存器传输级是一种同步数字电路的抽象模型，根据存储器、寄存器、总线、组合逻辑装置等逻辑单元之间数字信号的流动所建立的。在当前的数字设计中，工作流程是寄存器传输级上的主要设计，根据寄存器传输级的描述，逻辑综合工具对低级别的电路描述进行构建。在寄存器传输级的低功耗优化设计当中，主要包括了门控时钟、存储器分块访问、操作数隔离、操作数变形、寄存器传输级代码优化等方法。

随着科技的不断发展，在当前社会中，越来越多的移动设备和便携设备出现在人们的生活中，因此，数字集成电路也正在得到更加广泛的应用。而在电路设计当中，功耗问题始终是一个较为重点的问题，因此，应当对数字集成电路进行低功耗优化设计，从而降低电路功耗，提升电路效率。

参考文献：

[1]桑红石，张志，袁雅婧，陈鹏.数字集成电路物理设计阶段的低功耗技术.微电子学与计算机，2011（04）.

[2]邓芳明，何怡刚，张朝龙，冯伟，吴可汗.低功耗全数字电容式传感器接口电路设计.仪器仪表学报，2014（05）.