集成电路设计论文精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的集成电路设计论文主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：集成电路设计论文范文

（1）尽量远离大型矿山，军事工程等配套设施，以减少输电线路建设的风险对当地经济和环境，同时避免不良地质区，并尽量选择靠近国道，省级的位置选择在该路径不仅可以改善交通的运行，也方便了项目的建设。

（2）对应设置传输线，传输线的设计应该设置成为具有高度对应项，使电厂按照详细规划和变电站的设计相一致的特定方案，限制区域要使用相同的塔架设回直立设施。

（3）要选择合适的导线长度。两个分站之间的线路长度是尽可能短，以避免电力功率的损耗。并且选择材料上要注意材料本身的电阻值、密度、延展性等问题，避免由于导线材料选择不当造成导线自重过大造成危险，也应该避免相应电阻值过大的导线材料造成导线发热出现火灾。

（4）根据高差和间距设置，以避免电线塔间距输电线路选线过大，由于地面沉降，如过度的风偏的现象最终造成导线垂低等不良后果。

2输电线路工程设计与施工的管理和控制要点

根据所处环境的不同，输电线路的施工非常容易受到各种外界因素的影响和破坏，因而，发生事故的概率很大。另外，导线在外的特点要求导线与地面、建筑物等设施之间要有一定的安全距离，因此造成输电线路占地空间和线路廊道的增大，从而对土地的利用情况产生影响。下面，本文从几个方面介绍输电线路工程设计与施工过程中的管理和控制要点：

2.1输电线路导线的选择

传输线导体的主要作用是传导电流，传送功率，这是该部分的主要部分。电源线被设置在所述塔，不仅需要承受导线本身的重量，而且还由雪，雨，阳光和温度的影响，并因此，电线线路的选择设置应该选用机械强度高电气性能更好。许多类型的传输线导体，该ACSR最广泛的应用，主要是由于该ACSR通常是由多股铝导线绞合的形成引起的，是最好的导体的电流传输，钢丝的内部绳股，使强度提高该行也起到了非常重要的作用。在电力输送网格系统中，电压电平越高，传输容量，也能对外部环境的影响更加敏感。为了提高电力传输的质量和降低高频通讯以及所选择的电晕丝的干扰是非常重要的。在正常情况下，使用为确保引线组成的两个或更多个高压输电线路，并根据传输容量、电流强度、供电密度、发热的情况下、损失的最大金额去共同决定导线的横截面的选择电力和其他条件。有关符合导线质量扭曲的机械张力，以满足密封性要求和均匀性的金属丝的表面内的规定的购买请求应光滑，腐蚀斑点的条件和包含物不可以存在。

2.2输电线路路径的设计

1）图上选线

图上选线主要是指通过收集到的输电线路周围区域的航测图、地形图等信息，根据以往的经验，标识出其中的起点、终点和其他必经的地点等位置，然后参考水文地质、民航、交通气象等相关资料，使线路路径的选择尽可能的避开较大的设施和其他影响区域，另外，考虑到不同地区的交通条件，要根据路径最短的原则，规划多个可实施方案，然后将这些方案进行经济和技术上的对比，进而选择一个最优的线路路径方案。

2）现场选线

这一步骤的任务是将图纸路线落实到实际现场中，并进行实地踏勘。该阶段要求工作人员具有较强的毅力和耐性，因为一个线路可能需要进行多次的走访和勘察才能最终确定。输电线路的选择要尽可能的避开地质不良区域、果木林园、森林等地带，同时还要检查已经存在的线路的覆冰情况，避免线路经过严重覆冰的区域。最后，要对交通运输的便利性进行充分考虑，以方便线路工程的施工和维护。

2.3输电线路杆塔的设计施工

传输线塔是用来支持导线的设备，使之能不管在什么样的天气条件下，都能够满足的安全要求并确保电磁场的电绝缘性。传输线塔支撑结构，因此，塔架构造周期，运输时间和成本，以及建设成本等占有相当大的部分。因此，要加强选择和塔的施工队伍设计的重点。着重注意设计的塔结构，成本，尺寸，等等。根据情况的内容。线路初步设计时，应严格按照该设计过程中的成本估算的有关规定，利用塔模型尽可能之前已经实施的，如果你需要使用新塔将不得不反复研究，计算和科学实验，从而避免不必要的损失。

2.4输电线路的其他内容

首先，在输电线路工程设计过程中，我们应遵循实事求是的原则。例如，输电线的选择方面，线应及时更新有关的技术;在施工设备上线的选择，尽量使用节能，高科技材料的;在设计方面行路，他们必须利用已经成熟的手段。要加强重点输电线路路径优化程度，不断学习新的技能，并使用这些技能输电线路的设计和施工服务。其次，根据输电线路的建设，要运用经济和先进的开挖基坑与人工挖孔桩基础技术，可有效降低混凝土的用量，节约工程投资，减少开挖方量，减少水和土壤，破坏周围的塔的基底部的植被。此外，使用根据实际情况作适当的施工方法施工人员的要求，提高输电线路基础工程的质量。最后，整个设计和建造输电线路工程，加强对相关环节的管理。设计与施工输电线路工程的重要组成部分，施工人员加强管理，包括工作人员和工程材料的管理，防止废弃物胡乱丢弃现象的发生，而且还可以防止员工松弛状况出现。

3结束语

第2篇：集成电路设计论文范文

关键词:专用集成电路设计;创新;教学;探讨

中图分类号:G424文献标识码:A文章编号: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

《专用集成电路设计》是电气信息类专业开设的一门比较重要的专业课。为了培养宽口径、基础扎实的集成电路设计人才,满足IC行业对人才的大量需求,无论是在微电子专业,还是在相关的其他电气信息类专业,不少重点高等院校都已经开设了本门课程。在学生已经掌握了模拟电子技术、数字电子技术和一定的晶体管原理知识的基础上,通过学习《专用集成电路设计》课,进行ASIC设计理论的学习和实践的强化,进一步掌握集成电路和电路系统的设计知识,提高集成电路设计能力,增长集成电路设计经验;通过理论教学和实践教学,来加强电气信息类专业学生的电路设计基础、版图设计基础以及集成电路设计各环节的验证知识等,培养学生在集成电路设计方面的研究兴趣,为后续课程的学习和进一步的深造打好基础。

由于专业建设和人才培养的需要,北京电子科技学院同样开设了《专用集成电路设计》的专业选修课,授课对象是电子信息工程专业的本科生,由于非微电子的专业背景原因,他们并不具备足够的半导体物理、晶体管原理等知识,因此在本课程的教学过程中,必然要针对具体对象,调整教学内容,创新教学思路,加强教学研究,找到一种适合于非微电子专业本科生的教学思想和教学方法。通过教学实践,学生对于课程组在这一课程中的创新、探索和具体的教学方法比较认可。这里把我们在《专用集成电路设计》课教学实践中的初步探索做一些总结,希望与大家分享。

1 结合实际合理设置授课内容,以学生能够接受为目标

电子信息工程专业的学生在学习《专用集成电路设计》课程之前,已经系统地学习了《电路分析》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《EDA技术》等有关电子技术和电路系统的课程,对于电路系统的设计已经有了一定的理解,并进行过比较系统的动手实践训练,为进一步学习《专用集成电路设计》课程打下了比较坚实的知识基础和实践基础。但是由于专业背景的原因,该专业不太可能只是为了《专用集成电路设计》课而专门开设《半导体物理》、《晶体管原理》等这些在微电子专业才有的课程,因此,与微电子专业相比,电子信息工程专业的本科生欠缺有关晶体管原理和半导体工艺等方面的必要知识。在设置授课内容时,必然要考虑到这一点,总的原则应当是以学生能够接受、但又不应该过于轻松接受为目标,而且要尽量避免与《EDA技术》等课程的知识重复。

根据我们的课程内容设置原则,将《专用集成电路设计》课的讲授内容分为以下几章:第一章:ASIC设计概述;第二章:CMOS逻辑;第三章:ASIC库设计;第四章:ASIC的前端设计;第五章:ASIC的后端设计;第六章:可测性设计技术;第七章:SOC设计技术简介。在各章的讲授中,占用课时较多的分别是第二章、第三章和第五章。在讲授时强调培养学生的系统设计能力,使学生对专用集成电路的设计、制造、测试等一整套流程有一般性、整体性的了解,建立专用集成电路的基本概念和方法,了解IC领域的最新发展趋势,激发学生潜在的对集成电路前、后端设计的兴趣。为了配合理论教学,提升教学效果,还设置了合适的实验教学内容。

2 注重实验教学效果,以培养动手实践能力为目标

集成电路设计类课程除了理论教学以外,实验教学尤为重要,因为这类课程对学生的训练重点正是在于动手实验,提前接触到未来在进一步的研究和工作中可能会应用到的一些软件工具、设计流程以及设计技巧等,这样才能促进学生理论与实践相结合,真正帮助学生掌握ASIC设计技术。因此本课程要更加注重实验教学效果,着力培养学生的动手实践能力,进而使学生能够更加准确、具体和形象地掌握在课堂上学到的理论知识。根据这一原则,经过试用修订,我们专门编印了《专用集成电路设计实验指导书》,根据大纲的变化,使用工具版本的提高,目前已经编印了2007版和2009版的实验指导书,共设计了五个实验,具体是:实验一:IC设计工具的使用;实验二:单元电路的前端设计;实验三:标准单元的版图绘制与验证;实验四:四位加法器和减法器ASIC的设计;实验五:计数器ASIC的设计。每个实验3学时,其中实验二、实验四和实验五为综合性、设计性实验。

选用一种合适的集成电路设计工具是顺利进行实践教学的关键。我们选用了美国Tanner Research公司开发的一种优秀集成电路设计工具――Tanner Tools Pro,它虽然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具强大,但它的最大优点是成本低,可以在PC机上使用,而且图形处理速度快,编辑功能强,便于学习,使用方便,特别适用于高校进行相关的教学和科研工作。Tanner Pro工具在美国和台湾的很多大学中早已被广泛应用,台湾不少IC设计企业也在使用Tanner Pro工具。该工具较新版本为Tanner Tools Pro 13.0,主要包含了S-EDIT(原理图编辑)、L-EDIT(版图编辑)、T-SPICE(电路仿真)、W-EDIT(波形观察)和LVS(版图与原理图比对)等几个功能不同的子工具,满足了集成电路设计从前端到后端、设计验证的一系列过程的需要,完全可以适用于《专用集成电路设计》课程的实践教学。通过我们在课程实验、毕业设计等实践教学环节的使用,发现学生对这个工具上手快、掌握熟,对于以后使用其他的IC设计工具也有一定的帮助,而且培养了他们将来涉足IC设计领域的兴趣和信心。图1是学生在实践教学中得到的一个版图设计结果。

3 适当讲授最新技术进展,以让学生跟上行业发展脚步为目标

我们都知道,集成电路设计技术、制造工艺等的发展速度飞快,遵循着集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度下降、集成度每年翻一番和价格每两年下降一半的著名的摩尔定律,集成电路的设计和制造技术发展日新月异。因此,在《专用集成电路设计》的教学过程中,必须要根据教学大纲的要求,在系统讲授已经设置好的教学内容的前提下,结合具体授课内容,适当讲授最新技术进展,以期让学生跟上集成电路设计行业发展的脚步,并不断将这些新技术、新进展、新方法、新工具、新工艺融入到授课内容中,做到授课内容常讲常新。其实这除了让学生可以接受到最新的知识和了解到该领域最新进展之外,同时也是一个教学相长的过程,对于教师的教学和相关科研也是一种无形的促进,可以督促教师不断地跟踪与IC设计、制造相关的最新研究成果,并进行精心的组织,将这些成果有机融入到课程教学中,做到授课内容的不断更新,而且这样也才能够避免一份讲稿多年重复使用,保证教师在教学中的激情,增强教学效果。

在这里仅仅举一个具体例子。在一次讲授到集成电路工艺的内容时,作者为同学们讲授了不断发展的集成电路工艺水平,以及所遇到的工艺发展瓶颈对于摩尔定律的挑战,还具体讲到了Intel公司新推出的0.45nm工艺的CPU,它采用了大大不同于以往的工艺方法,这次工艺变革可以称得上是“拯救摩尔定律”的一大技术进展。本次课后,不少同学纷纷通过互联网等来查阅这一最新工艺的具体情形,表现出了浓厚的学习兴趣。

4 创新课程考查方式,以激发学生进一步的研究兴趣为目标

一门课程的考查方式如何,对于这门课程能不能按照教师的预想,达到既定的最终教学目的,有着比较重要的作用。传统的一张试卷去“考”出学生学习效果的方式虽然比较简单省事,但却过于单调,虽然从某种程度上能够考查出学生对这门课程知识的掌握程度,但是对于激发学生在学完这门课程之后,对本学科、本领域进行进一步研究的兴趣却作用不大。由于自从接受学校教育以来经历了无数次的考试,不少学生厌烦考试的情绪比较严重,恨不得考完后把教材、作业、笔记等都马上丢弃,这是现实存在的、我们必须得承认的事实。从某种意义上说,通过考试来考查学生的学习,有时对最终教学目标的实现会起到一定的反作用。而且单纯考试的方式也很难发现学生对于这门课、这个领域、这个行业的独特想法和创新思路。

作者在《专用集成电路设计》教学过程中,结合课程的专业特点,积极探索并实践了采用提交论文和现场答辩相结合的课程考查方式,即在课程讲授到二分之一左右时,布置给学生论文题目,对于论文的范围、参考文献的篇数、论文的格式和字数等做出明确而具体的规范,要求学生在最后一次课之前提交自己的论文,做好答辩ppt,并利用专门的时间集中进行答辩,每位学生对自己准备的论文,进行5分钟左右的讲解,并接受教师和其他学生的提问。通过创新课程考查方式,提交论文和现场答辩相结合,让学生在准备论文和答辩材料的过程中对专用集成电路设计的有关内容和工艺、方法等有了更加深刻的理解,并有了一个系统的知识梳理过程,现场答辩的方式也更能够展现学生对于集成电路设计的一些独特的思路和创新性的理解,学生在经历这一过程时,也促使自己积极思考,主动研究,努力去探索和集成电路、微电子学有关的一些研究方法和最新进展,激发自己在完成本门课程的学习后、甚至是大学毕业后进行进一步研究的兴趣和信心;另外还在这个过程中提升了学生的论文写作能力、科学研究能力。

5 结束语

《专用集成电路设计》课(或者其他名称的类似课程)在不少设有微电子学专业的重点大学中开设较为普遍,但在没有微电子学专业的高校特别是非重点高校中开设并不多,对于该课程教学实践中的一些具体的方法研究和探讨需要更加深入。作者在教学实践中,紧密围绕本校、本专业的培养目标,以授课对象为主体,遵循课程的教学规律和科学研究规律,选择合适的授课内容和教学方法,并且不断地对此进行探索和研究,收到了初步的教学效果。当然,教学创新永无止境,教学方法的研究和探讨不能止步,作为一名年轻教师,在今后的教学实践中,作者将在加强学习以及与同行交流的前提下,进一步拓宽和创新教学思路,探索和完善教学模式,研究和更新教学内容,学习和探讨教学技巧,敢于创新,善于创新,真正做到教好书,育好人。

参考文献:

[1] Michael John Sebastian Smith.专用集成电路[M].虞惠华,等,译.北京:电子工业出版社,2004.

[2] 路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3] 廖裕评,陆瑞强.集成电路设计与布局实战指导[M].北京:科学出版社,2004.

第3篇：集成电路设计论文范文

一、《电路基础》课程教学的两种基本取向

在职业教育教学实践中，电路基础课程教学现有两种基本的取向。其一，传递取向。传递取向是通过传递知识发展学生智能的过程。在课堂教学中，教师主要的任务是传授知识，学生主要的任务是接受并主动地内化知识，用知识的多少来反映学生的学习能力和发展水平，好的教学效果意味着比较有效的知识传递。其二，实践取向。实践取向认为教学应该是不断增长学生实践能力和社会化的过程。课堂教学中，教师不是直接向学生授受知识，而是通过创造学习情境，使学生在自主探究、合作与交流的过程中，通过知识的建构和意义的赋予，理解知识的意义，获得解决问题的能力。

无论是传递取向还是实践取向的教学，知识都是教学的基本内容。但是，怎样进行知识教学？知识教学的意义和目的何在？两种取向的教学遵循着不同的理念和实践。传递取向的教学认为知识是可以传递的，并认为知识是教学的起点也是终点，是学生学习和理解的对象。传授知识的主要方法是讲授，学生掌握知识的主要方法是记忆和练习。无论是“精讲精练”还是“变式练习”，改进教学方法的目的都是为了更有效的传递和掌握知识。传递取向教学认为知识教学的意义在于通过知识的传递和掌握，促使学生的计算能力、推理能力、逻辑思维能力等心智技能得到发展和提升。实践取向认为教学应立足于知识的建构和意义的赋予；教与学的起点不应是书本上的知识，而是来自于实际生产生活的，对学生来说没有现成的程序步骤可以解决的问题。问题解决的过程才是教学的重点，是学生建构知识和理解知识意义的过程。学生在问题解决过程中，不断建构知识并运用知识解决实际电路问题。

从笔者多年《电路基础》课程教学实践经验出发，更加倾向于实践取向的电路课程教学。《电路基础》课程是高职理工科类专业的一门专业基础课程，其教学目标是为专业课学习和学生的发展做好基础知识和基本技能、素养的准备，需要的是学生能利用知识解决实际电路问题的能力。如果学生单凭记忆记住了知识，而没有理解，那么这样的知识对于学生的发展来说仍然是没有意义的。既不能用来解决问题，也不能带来理智上的进步。实践取向教学以问题解决过程来促进学生对知识的理解和运用，显然，对于电路基础课程教学目标的达成更加有效。

二、实践取向的《电路基础》课程问题解决教学及其设计

1.确定实践性教学目标

确定实践性教学目标是实践取向教学设计的重要环节。面对学习主题，教师首先要明确“什么是值得学生理解和掌握的”，才能对症设计出更有价值的学习活动；学生只有明确“需要理解和学会什么”才不会对问题所带来的丰富的学习活动感到无所适从。实践性目标主要不是用于描述学生的学习结果，而是用来描述学生在特定的问题解决活动过程中的行为表现，旨在引导学生“经历”、“体验”和“探索”，获得丰富的解决电路问题的经验。例如，在“叠加原理”教学中，实践性教学目标可以包含：解释“生活中的叠加”、“数学中的叠加”原理，假设出“可能在电路中适用的叠加方法”；根据假设，确定实验方案，通过实践探索问题的答案；通过数据分析推演出结果的合理性；描述和总结问题解决过程，理解电路中的叠加原理，拓展和建构知识。可以说，实践性目标本质上是一种过程性目标、表现性目标。作为一种过程性目标，实践性目标是随着教学过程的展开而自然生成的，是教学情境的产物和问题解决的结果；作为一种表现性目标，实践性目标应关注学生在教学情境中所产生的个性化表现，学生处理问题的能力。在一个真实的实践任务中，理解和建构活动一般经历直观性理解、经验性理解、模型化理解、具体化理解等相互关联的阶段。另外，在确定实践性目标时，还应关注《电路基础》课程的内容、思想方法和特殊的表达形式。

2.选择生成性问题

在实践取向的教学中，学生的理解通常产生于问题，但问题是否具有生成性对于维持并发展学生的兴趣和理解十分重要。所谓生成性问题是指能够引导学生的理解持续深入地发展，促进学生的认知水平从低层次向高层次的跃迁的问题。如“家里灯泡突然不亮了”这样一个实际问题，可以生成“欧姆定律”相关的一系列问题。由生成性问题产生的新问题可以是同一主题下维度上的拓展，也可以是不同主题间形式上的类比。生成性问题应包含丰富的知识内容和技能，能够为学生的理解提供概念框架，使学生从中学到的不仅是当前情境的体验和理解，还能学到适应环境、处理和思考问题的方法。基于实践任务的生成性问题的选择应基于问题的真实性，应具有动手操作和思维活动二重性，应符合学生的认知发展水平。值得注意的是，一个有价值的生成性问题要能引导学生逐步深入理解电路基础课程中的一些核心原理、基本概念、重要的思想方法等等。因此，在电路基础课程教学中要思考哪些内容和知识点是需要学生深入理解并掌握的。

3.设计实践性活动

设计实践性活动的目标在于将问题或任务转变为可以操作的活动，帮助学生自然地理解和建构知识。在电路基础课程教学的实践活动中一般包括实物操作、虚拟仿真实验、形式化运演等几种类型。实物操作和虚拟仿真实验具有一定的直观性，可以为学生的理解提供丰富的“感觉映像”。形式化运演借助于抽象、类比、归纳、联想等手段理解建构知识。其中形式化运演是理解和应用的高级阶段。实践取向的教学通过创设具体的、可操作的理解性活动，使置身于其中的学生相互影响、自觉地思维与行动。值得提出的是，首先，实践取向的教学不是以某种认知标准来表征学生学习客观知识或事实的过程，而是以基于学生个体实践活动的意图、行动和反思的互动。因此，实践性活动的主题指向应是在真实任务中参与认知活动的个人。其次，设计的实践性活动应满足学生学习方式多样化的需要。设计的实践性活动应考虑到学生在理解和认知上的个性差异，允许学生选择符合自己认知方式和发展水平的参与方式，以最大限度地促进所有学生在原有认知水平上的提高。再次，设计实践性活动时还应建构以学习者共同体、概念学习交流和知识建构共同体为特征的互动学习的平台。

第4篇：集成电路设计论文范文

论文关键词：集成电路，特点，问题，趋势，建议

引言

集成电路是工业化国家的重要基础工业之一，是当代信息技术产业的核心部件，它是工业现代化装备水平和航空航天技术的重要制约因素，由于它的价格高低直接影响了电子工业产成品的价格，是电子工业是否具有竞争力关键因素之一。高端核心器件是国家安全和科学研究水平的基础，日美欧等国均把集成电路业定义为战略产业。据台湾的“科学委员会”称未来十年是芯片技术发展的关键时期。韩国政府也表示拟投资600亿韩元于2015年时打造韩国的集成电路产业。

集成电路主要应用在计算机、通信、汽车电子、消费电子等与国民日常消费相关领域因此集成电路与全球GDP增长联系紧密，全球集成电路消费在2009年受金融危机的影响下跌9%的情况下2010由于经济形势乐观后根据半导体行业协会预计今年集成电路销售额将同比增长33%。

一、我国集成电路业发展情况和特点

有数据统计2009年中国集成电路市场规模为5676亿元占全球市场44%，集成电路消费除2008、2009年受金融危机影响外逐年递增，中国已成为世界上第一大集成电路消费国，但国内集成电路产量仅1040亿元，绝大部分为产业链低端的消费类芯片，技术落后发达国家2到3代左右，大量高端芯片和技术被美日韩以及欧洲国家垄断。

我国集成电路产业占GDP的比例逐年加大从2004年的0.59%到2008年的0.74%.年均增长远远超过国际上任何一个其他国家，是全球集成电路业的推动者，属于一个快速发展的行业。从2000年到2007年我国集成电路产业销售收入年均增长超过18%毕业论文提纲，增长率随着经济形势有波动，由于金融危机的影响2008年同比2007年下降了0.4%，2009年又同比下降11%，其中集成电路设计业增速放缓实现销售收入269.92亿元同比上升14.8%，由于受金融危机影响，芯片制造业实现销售收入341.05亿元同比下降13.2%、封装测试业实现销售收入498.16亿元同比下降19.5%。我国集成电路总体上企业总体规模小，有人统计过，所有设计企业总产值不如美国高通公司的1/2、所有待工企业产值不如台积电、所有封测企业产值不如日月光。

在芯片设计方面，我国主流芯片设计采用130nm和180nm技术，65nm技术在我国逐渐开展起来，虽然国际上一些厂商已经开始应用40nm技术设计产品了，但由于65nm技术成熟，优良率高，将是未来几年赢利的主流技术.设计公司数量不断增长但规模都较小，属于初始发展时期。芯片制造方面，2010国外许多厂商开始制造32nm的CPU但大规模采用的是65nm技术，而中国国产芯片中的龙芯还在采用130nm技术，中芯国际的65nm技术才开始量产，国产的自主知识产权还没达到250技术。在封装测试技术方面，这是我国集成电路企业的主要业务，也是我国的主要出口品，有数据显示我国集成电路产业的50%以上的产值都由封装产业创造，随着技术的成熟，部分高端技术在国内逐步开始开展，但有已经开始下降的趋势杂志网。在电子信息材料业方面，下一代晶圆标准是450mm，有资料显示将于2012年试制，现在国际主流晶圆尺寸是300mm，而我国正在由200mm到300mm过渡。在GaAs单晶、InP单晶、光电子材料、磁性材料，压电晶体材料、电子陶瓷材料等领域无论是在研发还是在生产均较大落后于国外，总体来说我国新型元件材料基本靠进口。在半导体设备制造业方面毕业论文提纲，有数据统计我国95%的设备是外国设备，而且二手设备占较大比例，重要的半导体设备几乎都是国外设备，从全球范围来讲美日一直垄断其生产和研发，台湾最近也有有了较大发展，而我国半导体设备制造业发展较为缓慢。

我国规划和建成了7个集成电路产业基地，产业集聚效应初步显现出来，其中长江三角洲、京津的上海、杭州、无锡和北京等地区,是我国集成电路的主要积聚地，这些地区集中了我国近半数的集成电路企业和销售额，其次是中南地区约占整个产业企业数和销售额的三分之一，其中深圳基地的IC设计业居全国首位，制造企业也在近一部壮大，由于劳动力价格相对廉价，我国集成电路产业正向成都、西安的产业带转移。

二、我国集成电路业发展存在的问题剖析

首先，我国集成电路产业链还很薄弱，科研与生产还没有很好的结合起来，应用十分有限，虽然新闻上时常宣传中科院以及大专院校有一些成果，但尚未经过市场的运作和考验。另外集成电路产品的缺乏应用途径这就使得研究成果的产业化难以推广和积累成长。

其次，我国集成电路产业尚处于幼年期，企业规模小，集中度低，资金缺乏，人才缺乏，市场占有率低，不能实现规模经济效应，相比国外同类企业在各项资源的占有上差距较大。由于集成电路行业的风险大，换代快，这就造成了企业的融资困难，使得我国企业发展缓慢，有数据显示我国集成电路产业有80%的投资都来自海外毕业论文提纲，企业的主要负责人大都是从台湾引进的。

再次，我国集成电路产业相关配套工业落后，产业基础薄弱。集成电路产业的上游集成电路设备制造的高端设备只有美日等几家公司有能力制造，这就大大制约了我国集成电路工艺的发展速度，使我国的发展受制于人。

还有，我国集成电路产成品处于产品价值链的中、低端，难以提出自己的标准和架构，研发能力不足，缺少核心技术，处于低附加值、廉价产品的向国外技术模仿学习阶段。有数据显示我国集成电路使用中有80%都是从国外进口或设计的，国产20%仅为一些低端芯片，而由于产品相对廉价这当中的百分之七八十又用于出口。

三、我国集成电路发展趋势

有数据显示PC机市场是我国集成电路应用最大的市场，汽车电子、通信类设备、网络多媒体终端将是我国集成电路未来增长最快应用领域. Memory、CPU、ASIC和计算机外围器件将是最主要的几大产品。国际集成电路产业的发展逐步走向成熟阶段，集成电路制造正在向我国大规模转移，造成我国集成电路产量上升，如Intel在2004年和2005年在成都投资4.5亿元后，2007年又投资25亿美元在大连投资建厂预计2010年投产。

另外我国代工产业增速逐渐放缓，增速从当初的20%降低到现在的6%-8%，低附加值产业逐渐减小。集成电路设计业占集成点设计业的比重不断加大，2008、2009两年在受到金融危机的影响下在其他专业大幅下降的情况下任然保持一个较高的增长率，而且最近几年集成电路设计业都是增长最快的领域，说明我国的集成电路产业链日趋完善和合理，设计、制造、封装测试三行业开始向“3：4：4”的国际通行比例不断靠近。从发达国家的经验来看都是以集成电路设计公司比重不断加大，制造公司向不发达地区转移作为集成电路产业走向成熟的标志。

我国集成电路产业逐渐向优势企业集中,产业链不断联合重组，集中资源和扩大规模，增强竞争优势和抗风险能力，主要核心企业销售额所占全行业比重从2004年得32%到2008年的49%，体现我国集成电路企业不断向优势企业集中，行业越来越成熟，从美国集成电路厂商来看当行业走向成熟时只有较大的核心企业和专注某一领域的企业能最后存活下来。

我国集成电路进口量增速逐年下降从2004年的52.6%下降为2008年的1.2%,出口量增速下降幅度小于进口量增速。预计2010年以后我国集成电路进口增速将小于出口增速，我国正在由集成电路消费大国向制造大国迈进。

四、关于我国集成电路发展的几点建议

第一、不断探索和完善有利于集成电路业发展的产业模式和运作机制。中国高校和中科院研究所中有相对宽松的环境使得其适合酝酿研发毕业论文提纲，但中国的高端集成电路研究还局限在高校和中科院的实验室里，没有一个循序渐进的产业运作和可持续发展机制，这就使得国产高端芯片在社会上认可度很低，得不到应用和升级。在产业化成果推广的解决方面。可以借鉴美国的国家采购计划，以政府出资在武器和航空航天领域进行国家采购以保证研发产品的产业化应用得以实现杂志网。只有依靠公共研发机构的环境、人才和技术优势结合企业的市场运作优势，走基于公共研发机构的产业化道路才是问题的正确路径。

第二、集成电路的研发是个高投入高风险的行业是技术和资本密集型产业，有数据显示集成电路研发费用要占销售额的15%，固定资产投资占销售额的20%，销售额如果达不到100亿美元将无力承担新一代产品的研发，在这种情况下由于民族集成电路产业在资金上积累有限，几乎没有抗风险能力，技术上缺乏积累，经不起和国际集成电路巨头的竞争，再加上我国是一个劳动力密集型产业国，根据国际贸易规律，资本密集型的研发产业倾向于向发达国家集中，要想是我国在未来的高技术的集成电路研发有一席之地只有国家给予一定的积极的产业政策，使其形成规模经济的优势地位，才能使集成电路业进入良性发展的轨道.对整个产业链，特别是产业链的低端更要予以一定的政策支持。由政府出资风险投资，通过风险投资公司作为企业与政府的隔离，在成功投资后政府收回投资回报退出公司经营，不失为一种良策。资料显示美国半导体业融资的主要渠道就是靠风险基金。台湾地区之所以成为全球第四大半导体基地台就与其6年建设计划对集成电路产业的重点扶植有密切关系，最近湾当局的“科学委员会”就在最近提出了拟扶植集成电路产业使其达到世界第二的目标。

第三、产业的发展可以走先官办和引进外资再民营化道路，在产业初期由于资金技术壁垒大人才也较为匮乏民营资本难于介入，这样只有利用政府力量和外资力量，但到一定时期后只有民营资本的介入才能使集成电路产业走向良性化发展的轨道。技术竞争有利于技术的创新和发展，集成电路业的技术快速更新的性质使得民营企业的竞争性的优势得以体现，集成电路每个子领域技术的专用化特别高分工特别细，每个子领域有相当的技术难度，不适合求小而且全的模式。集成电路产业各个子模块经营将朝着分散化毕业论文提纲，专业化的方向发展，每个企业专注于各自领域，在以形成的设计、封装、测试、新材料、设备制、造自动化平台设计、IP设计等几大领域内分化出有各自擅长的专业领域深入发展并相互补充，这正好适应民营经济的经营使其能更加专注，以有限的资本规模经营能力能够达到自主研发高投入，适应市场高度分工的要求，所以民间资本的投入会使市场更加有效率。

第四、技术引进吸收再创新将是我国集成电路技术创新发展的可以采用的重要方式。美国国家工程院院士马佐平曾今说过：中国半导体产业有着良好的基础，如果要赶超世界先进水平，必须要找准方向、加强合作。只有站在别人的基础上，吸取国外研发的经验教训，并充分合作才是我国集成电路业发展快速发展有限途径，我国资金有限，技术底子薄，要想快速发展只有借鉴别人的技术在此基础上朝正确方向发展，而不是从头再来另立门户。国际集成电路产业链分工与国家集成电路工业发展阶段有很大关系，随着产业的不断成熟和不断向我国转移使得我国可以走先生产，在有一定的技术和资金积累后再研发的途径。技术引进再创新的一条有效路径就是吸引海外人才到我国集成电路企业，美国等发达国家的经济不景气正好加速了人才向我国企业的流动，对我国是十分有利的。

【参考文献】

[1]卢锐，黄海燕，王军伟.基于技术学习的台湾地区产业链升级[J].河海大学学报（哲学社会科学版），2009，(12):57-60，95.

[2]莫大康.新形势下的世界半导体业及中国半导体业的前景(上)[J].电子产品世界，2008，(5):24，26，32.

[3]莫大康.新形势下的世界半导体业及中国半导体业的前景(下)[J].电子产品世界，2008，(6):32-33，36.

[4]叶甜春.中国集成电路装备制造业自主创新战略[J].中国集成电路，2006，(9):17-19.

[5]杨道虹.发达国家和地区集成电路产业技术创新模式及其启示[J].电子工业专用设备，2008，(8):53-56.

[6]李珂.2008年中国集成电路产业发展回顾与展望[J].电子工业专用设备，2009，(3):6-10.

[7]庞辉，裴砜.我国集成电路产业发展中存在的问题及对策[J].沈阳大学学报，2009，(8): 9-12.

[8]翁寿松.中国半导体产业面临的挑战[J].电子工业专用设备，2009，(10):13-15，45.

[9]尹小平崔岩.日美半导体产业竞争中的国家干预——以战略性贸易政策为视角的分析[J].现代日本经济，2010，(1):8-12.

第5篇：集成电路设计论文范文

关键词：特色专业建设；复旦大学；微电子学；创新人才培养

复旦大学“微电子学与固体电子学”学科有半个多世纪的深厚积累。20世纪50年代，谢希德教授领导组建了全国第一个半导体学科，培养了我国首批微电子行业的中坚力量。60年代研制成功我国第一个锗集成电路。1984年，经国务院批准设立微电子与固体电子学学科博士点，1988年、2001年、2006年被评为国家重点学科。所在一级学科于1998年获首批一级博士学位授予权，设有独立设置的博士后流动站和长江特聘教授岗位，建有“专用集成电路与系统”国家重点实验室，1998年和2003年被列入“211”工程建设学科，2000年被定为“复旦三年行动计划”重中之重学科得到学校重点支持，2005年获“985工程”二期支持，建设“微纳电子科技创新平台”。

长期以来复旦大学微电子学教学形成了“基础与专业结合，研究与应用并重，创新人才培养国际化”特色。近年来，在教育部第二批高等学校特色专业建设中，我们根据国家和工业界对集成电路人才的要求，贯彻“国际接轨、应用牵引、注重质量”的教学理念，制定了复旦大学“微电子教学工作三年计划大纲”并加以实施，在高端创新人才培养方面对专业教学的特色开展了深层的挖掘和拓展。

一、课程体系的完善和课程建设

微电子技术的高速发展要求微电子专业课程体系在相对固定的框架下不断加以更新和完善。

我们设计了“复旦大学微电子学专业本科课程设置调查表”，根据对于目前工作在企业、大学和研究机构的专业人士的调查结果，制定了新的微电子学本科培养方案。主要修改包括：

（1）加强物理基础、电路理论和通信系统课程。微电子学科，特别是系统芯片集成技术，是融合物理、数学、电路理论和信息系统的综合性应用学科。因此，在原有课程基础上，增加了有关近代物理、信号与通信系统、数字信号处理等课程，使微电子学生的知识覆盖面更宽。

（2）面向研究、应用和学科交叉的需要，增加专业选修课程。如增加了电子材料薄膜测试表征方法、射频微电子学、铁电材料与器件、Perl语言、计算微电子学、实验设计及数据分析等课程，为本科生将来进一步从事研究和应用开发打下基础。

（3）强调能力和素质训练，高度重视实验教学。开设了集成电路工艺实验、集成电路器件测试实验、集成电路可测性设计分析实验及专用集成电路设计实验等从专业基础到专业的多门实验课。

在课程体系调整完善的同时，还对于微电子专业基础课和专业必修课开展了新一轮的课程建设。包括：

（1）精品课程的建设。几年来，半导体物理、集成电路工艺原理、数字集成电路设计经过建设已经获得复旦大学校级精品课程。其中半导体物理和集成电路工艺原理课程获得学校的重点资助，正在建设上海市精品课程。另有半导体器件原理和模拟集成电路设计正在复旦大学校级精品课程建设之中，有望明年获得称号。

（2）增加全英语教学和双语教学课程。为了满足微电子技术的高速发展和学生尽快吸收、学习最新知识的需求，贯彻落实教育部“为适应经济全球化和科技革命的挑战，本科教育要创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学”的要求，在本科生专业课的教学中新增全英语教学课程3门，双语教学课程4门。该类专业课程的开设也为微电子专业的国际交流学生提供了选课机会。

（3）教材建设。为了配合课程体系的完善和补充更新专业知识，除了选用一些国际顶级高校的教材之外，还依据我们的课程体系组织编写了一系列专业教材和论著。有已经出版的《深亚微米FPGA结构与CAD设计》、《Modern Thermodynamics》、《现代热力学－基于扩展卡诺定理》，列入出版计划的《半导体器件原理》、《超大规模集成电路工艺技术》和《计算机软件技术基础》。另外根据课程体系的要求对实验用书也进行了更新。

为了传承复旦微电子学的丰富教学经验和保证教学质量，建立了完备的教学辅导制度，如课前试讲、课中听课及聘请经验丰富的退休老教师与青年教师结对子辅导等。每学期听课总量和被听课教师分别均超过所授课程和任课教师人数的50%以上。对所有听课结果进行了数据分析，并反馈给任课教师，为教师改进教学提供了有益的帮助。在保证教学内容的情况下，鼓励教师尝试新的教学手段，实现所有必修课程的电子化，建立主要必修课程的网页，完全公开提供所有课件信息，部分课件获得超过15000次的下载量。青年教师还独创了“移动课堂”的授课新方法，该方法能够完整复制课堂教学，既能高清晰展示教学课件的内容，又能把教师课上讲解的声音、动作及临时板书全部包含在内，能够使用大众化的多媒体终端进行播放，随时随地完美重现课堂讲解全过程。

通过国际合作的研究生项目及教师出国交流，复旦大学微电子学专业教师的教学水平得到进一步提升。在研究生的联合培养项目（如复旦-TU Delft硕士生项目、复旦-KTH硕士生/博士生项目等）中海外高校教师来到复旦全程教授所有课程，复旦配备青年教师跟班听课和担任课程辅导。这使得青年教师的授课理念、授课方式及授课水平都有大幅提高。同时，由于联合培养项目及其他合作项目，复旦的青年教师也被邀请参与海外高校的教学，担任对方课程的主讲，青年教师利用交流的机会，引进海外高校的一些课程用于补充复旦微电子的培养方案。这些都为集成电路专业特色的挖掘和拓展起到重要的作用。

经过几年的努力，微电子专业的教学水平普遍得到提升，在教学评估中得到各个方面的好评。

二、培养方法的改进和创新

培养适应时代要求的微电子专业创新人才也需要在培养方法上加以改进和创新。

针对微电子工程的特点，在坚持扎实的理论的基础上，强调理论联系实际，开展实践能力训练。在学校的支持下，教学实验室环境得到及时更新，几个方面的实验教学在国内形成特色。

（1）本科的集成电路工艺实验可以在学校自己的工艺线上完成芯片的清洗、氧化、扩散、光刻、蒸发、腐蚀等基本工艺制作步骤，为学生完整掌握集成电路制造的基本能力提供了很好的实际训练。

（2）在集成电路测试方面，结合自动化测试机台（安捷伦SoC93000ATE），开设了可测性设计课程，附带实验。

（3）集成电路设计课程都附带课程项目实践，培养了学生实际设计能力和素质，取得很好效果。

通过课程教学训练学生创新思维和分析问题的能力。尝试开设了部分本科生和研究生同时共同选修的研讨型课程。在课程学习的过程中，本科生不仅可以得到研究生的指导，在课堂上就某些课程内容进行探究，还可以在开展课程设计时在小组内和研究生同学共同开展小型项目研究，对于提高本科生进一步学习微电子专业的兴趣和培养他们发现问题解决问题的能力有很大的帮助。

参加科研无疑是培养学生创新能力的一个最为有效的途径。配合复旦大学的要求，微电子学专业在本科阶段，持续设置多种科研计划，给予本科生进实验室开展科研以支持。

（1）大一的“启航”学术体验计划。计划鼓励大一学生在感兴趣的领域进行探究式学习和实践，为学生打造一个培养创新意识，锻炼学术能力的资源平台。“启航”学术体验计划的所有学术实践项目均来自各个微电子专业的导师，学生通过对感兴趣的项目进行申报与自荐的形式申请加入各学术实践小组。引导学生领略学科前沿，体验研究乐趣。

（2）二、三年级曦源项目。项目建立在学生自主学习和创新思想的基础上，鼓励志同道合的同学组成研究团队，独立提出研究方向，寻找合适的指导教师。加入自己感兴趣的研究方向的团队。在开放课题列表中寻找合适的课题方向，并向该课题指导教师进行申请。还有更多的学生在大三甚至更早就进入各个研究小组，参与教授领导的各类国家级、省部级项目及来自企业、海外等的合作项目的研究。在完成的计划和项目成果之外，学生们还在收集文献资料、获取信息的能力，发现问题、独立思考的能力，运用理论知识解决实际问题的能力，设计和推导论证、分析与综合的能力，科学实验、发明创造的能力，写作和表说的能力等方面，都有不同的收获。

通过学生参加国际交流活动及外籍教师讲授课程给学生提供国际化的培养，提供层次更高、路径多元的培养方案，培养了学生的国际化眼光，开拓了学生的培养渠道。

几年来，微电子学专业学生的出国交流人数逐年增长，从2008年起，共有20位本科生赴国外多个高校交流学习。交流的项目包括双学位、长学期和暑期项目等，交流时间从3个月到2年不等，交流学校包括美国（耶鲁、UCLA等）、欧洲（伯明翰、赫尔辛基等）、日本（早稻田、庆应等）及我国港台高校。大多数同学在交流期间的学习成绩达到交流学校的优秀等级，同时积极参加交流学校教授小组的科研工作，得到了很好的评价。个别同学由于表现优异在交流结束回国后被对方教授邀请再次前去完成毕业论文；也有同学交流期间）参加国际级大师的科研小组工作，获益匪浅，直研后表现出强于一般研究生的科研能力。可以看到，国际交流不仅为同学们提供了专业知识和研究能力的不同培养模式，也为他们提供了更加广阔的视野和体验多种文化的机会，为他们今后的发展和进步打下了很好的基础。自特色专业建设以来，每学期均新开设“前沿讲座”课程，课程内容不固定，授课人为聘请的海外教师，有的来自海外高校，有的来自海外企业，课程均为全英语课程或双语教学课程。这类课程直接引进了海外高校的课程和教学方式，不仅学生受益，同时也培养了复旦微电子专业的青年教师。企业还提供与课程内容直接相关的软件，在改善教学环境的同时，还为学生参加科研提供了培训。

经过2年多特色专业项目的建设，复旦微电子学专业在巩固已有教学特色基础上，在高端创新人才培养方面进行了深层的挖掘和拓展，取得了一系列的成果。

第6篇：集成电路设计论文范文

P键词音频信号；WM8731S；先入先出存储器

中图分类号TP3

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0095-02

1.概述

1.1论文研究的目的及意义

目前用VHDL进行电路设计，可以经过综合与布局，烧录至FPGA上进行测试，是硬件集成电路设计验证的技术主流。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件，是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。数字语音集成电路与嵌入式微处理器相结合，首先降低了产品研发成本，其次系统更小、耗电低，况且使设计更简单，电路扩展方便且体积小，应用前景更广，如无人驾驶、5G技术、消费电子产品、排队机、报警以及报站器等。

1.2系统总体设计方案

FPGA的开发相对于传统Pc、单片机的开发有很大不同，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/0间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。FGPA芯片对WM8731进行控制，使得WM8731对音频信号进行滤波处理。随着百万门级FPGA的推出单片系统成为可能。为了支持SOPE的实现方便用户的开发与应用altera还提供了众多性能优良的宏模块、IP核以及系统集成等完整的解决方案。这些宏功能模块、IP核都经过了严格的测试使用这些模块将大大减少设计的风险缩短开发周期并且可使用户将更多的精力和时间放在改善和提高设计系统的性能上而不是重复开发已有的模块。

2.系统的处理

2.1本音频信号处理系统

本音频信号处理系统以WM8731芯片为处理平台，以FPGA芯为控制中心，控制音频解编码芯片WM8731对输入的音频信号进行滤波处理，以获得高品质的音频数字信号，再将高品质的音频数字信号输出到信号接收端。由音频编解码模块电路、控制器模块、时钟分频模块、I2c时序接口模块、I2c控制字配置模块、I2s时序接口及音频数据处理模块、FIFO先进先出存储器设计、带通数字滤波设计8部分构成。

2.2各部分电路原理

1）时钟分频模块由于要使WM8731工作，此主时钟频率依照该芯片工作的不同模式有12.288MHz、18.432MHz、11.2896MHz以及16.9344MHz这4中频率可选。

2）I2c时序接口模块。实现对I2c时序的模拟，控制SCLK（数据时钟）和SDAT（数据线）将存放在I2c_data中的24位控制字串行发送给W～8731，该模块例化于I2c控制字配置模块之中，以实现对该芯片的控制字写入。

3）I2c控制字配置模块。分别为：MODE、CSB、SDIN和SCLK。对应功能为控制接口选择线、片选或地址选择线、数据输入线和时钟输入线。它具有2线和3线两种模式。本文采用2线模式对WM8731进行控制。为MPU接口。选择MODE为0时为2线模式。

4）I2s时序接口及音频数据处理模块。将18.432MHz的主时钟分频，产生均为48kHz的数模转换和模数转换采样率时钟以及对应的数字音频时钟（BELK）。除此之外，在此模块中还调用了I2s串行数据转并行数据模块，并定义变量state作为串并变换的起始标志。

5）FIFO先进先出存储器，是一种非常基本，使用非常广泛的模块。

3.系统的软件设计及调试

软件分为控制器模块程序、时钟分频模块、I2c总线时序模块、12S时序接口及音频数据处理模块。本系统是基于FPGA的音频编解码芯片控制器，用以实现对语音芯片WM8731的控制。在整个系统中，用到了标准MIC、Line-in、Line-out接口、2个开关按键以及3个按钮式按键。FPGA器件主要通过12C总线给语音芯片WM8731经行控制字配置。初始化完成后，音频数据从MIC或LineIn输入，经过A/D转换后，数字信号再进入FIFO，再经过FIR数字滤波处理，之后成为串行的数字信号并由12S总线传入FPGA器件。经过串并变换等处理之后，再经过D/A转换由LineOut通过耳机输出。在调试过程中，始终选择主模式，DACSEL始终置为数字信号输出。在测试中，WM8731能够输出高品质的音频信号。

第7篇：集成电路设计论文范文

关键词　微电子技术　集成系统　微机电系统　dna芯片

1 引　言

综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村”。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，改变着人类的生产和生活方式，改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。

50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、cmos技术、半导体随机存储器、cpu、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（silicon age）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。

在微电子技术发展的前50年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21世纪上半叶，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基cmos电路为主流工艺；系统芯片（system on a chip，soc）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如mems，dna chip等。

2 21世纪上半叶仍将以硅基cmos电路为主流工艺

微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以mos技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了intel公司创始人之一的gordon e．moore 1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了moore的预言[2]。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在21世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。

现在，0．18微米cmos工艺技术已成为微电子产业的主流技术，0．035微米乃至0．020微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0～1．0nm。预计到2010年，特征尺寸为0．05～0．07微米的64gdram产品将投入批量生产。

21世纪，起码是21世纪上半叶,微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基cmos工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要20到30年的时间，硅集成电路技术自1947年发明晶体管1958年发明集成电路,到60年代末发展成为大产业也经历了20多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。

目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在2015年达到0．030～0．015微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于2030年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了50多年仍极具发展潜力一样。

随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，sio2栅介质材料、多晶硅／硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚50纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚50纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高k栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmeuv光刻、超细线条刻蚀，soi、gesi／si等与硅基工艺兼容的新型电路，低k介质和cu互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技术等。

3 量子电子器件（qed）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域

在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基cmos工艺技术，可称之为“scaling down”，与此同时我们必须注意“bottom up”。“bottom up”最重要的领域有二个方面：

(1)量子电子器件（qed—quantum electron device）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（αf），要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。

因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。

(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（qca—quantum－dot cellular automata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。

量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，0．05nm的变化可以造成单元工作失效。

以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而ge、si只有一个。这些都使碳纳米管（cnt）成为当前科研热点，从1991年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教授也已制备出0．33纳米的cnt并提出“t形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的cnt器件，更难以集成。

目前“bottom up”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“scaling down”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度cmos电路的功耗制约将会带来突破性的进展。

qca和cnt器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。

4 系统芯片（system on a chip）是21世纪微电子技术发展的重点

在集成电路（ic）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（cell－lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了ic产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。ic芯片是通过印刷电路板（pcb）等技术实现整机系统的。尽管ic的速度可以很高、功耗可以很小，但由于pcb板中ic芯片之间的连线延时、pcb板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于ic设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3g时代逐步发展到3t时代（即存储容量由g位发展到t位、集成电路器件的速度由ghz发展到灯thz、数据传输速率由gbps发展到tbps，注：1g=109、1t=1012、bps：每秒传输数据位数）。

正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（system on a chip，简称soc）概念。

系统芯片（soc）与集成电路（ic）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。

soc是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（top－down）的。很多研究表明，与ic组成的系统相比，由于soc设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用soc方法和0．35μm工艺设计系统芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的ic所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规ic方法设计的芯片相比,采用soc设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。

对于系统芯片（soc）的发展，主要有三个关键的支持技术。

（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（functional partition theory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等等。

（2）ip模块库问题。ip模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。cmos的cpu、dram、sram、e2prom和flash memory以及a／d、d／a等都可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线（fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（chipless）的公司,专门销售ip模块。

（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括ip模块间的胶联逻辑技术（glue logic technologies）和ip模块综合分析及其实现技术等。

微电子技术从ic向soc转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上的革命。目前，soc技术已经崭露头角，21世纪将是soc技术真正快速发展的时期。

在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的cmos结构，因此需要发展更灵巧的新型电路结构。另外，为了实现胶联逻辑（glue logic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发展,在这一方面也需要做系统深入的研究。

5 微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点

微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是mems（微机电系统）技术和dna生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。

微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。mems将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，mems是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。mems技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。

mems的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于mems器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,因而mems在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（abs）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息mems系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时mems系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。

mems技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来mems产业化高速发展的时期。2000年，全世界mems的市场达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场达到1000亿美元。

目前，mems系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对cpu和ram的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于cpu和ram这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。

当前mems系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在mems发展中需要继续解决的问题主要有：mems建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；mems的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。

微电子与生物技术紧密结合诞生的以dna芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是dna芯片。

采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种dna基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。

dna芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前stanford和affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了dna芯片〖4〗。他们制作的dna芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层dna纤维。不同的dna纤维图案分别表示不同的dna基因片段，该芯片共包括6000余种dna基因片段。dna（脱氧核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，dna芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着dna芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的ic芯片一样无处不在。

目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。

6 结　语

在微电子学发展历程的前50年中，创新和基础研究曾起到非常关键的决定性作用。而随着器件特征尺寸的缩小、纳米电子学的出现、新一代soc的发展、mems和dna芯片的崛起，又提出了一系列新的课题，客观需求正在“召唤”创新成果的诞生。

回顾20世纪后50年，展望21世纪前50年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我们深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战，如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子 产业的发展，为迎接21世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！

参考文献

[1]s.m.sze:lecture note at peking university,four decades of developments in microelectronics:achievements and challenges.

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

[3]张兴、郝一龙、李志宏、王阳元。跨世纪的新技术－微电子机械系统。电子科技导报，1999，4：2

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

第8篇：集成电路设计论文范文

论文摘要：从数字系统设计的性质出发，结合目前迅速发展的芯片系统，比较、研究各种硬件描述语言；详细阐述各种语言的发展历史、体系结构和设计方法；探讨未来硬件描述语言的发展趋势，同时针对国内EDA基础薄弱的现状，在硬件描述语言方面作了一些有益的思考。

现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现。软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、cynlib c++等等。究交选择哪种语言进行设计，整个业界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片设计技术打好基础。

1、目前HDL发展状况

目前，硬件描述语言可谓是百花齐放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。虽然各种语言各有所长，但业界对到底使用哪一种语言进行设计，却莫衷一是，难有定论。

而比较一致的意见是，HDL和C/C++语言在设计流程中实现级和系统级都具有各自的用武之地。问题出现在系统级和实现级相连接的地方：什么时候将使用中的一种语言停下来，而开始使用另外一种语言?或者干脆就直接使用一种语言?现在看来得出结论仍为时过早。

在2001年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开了生动、激烈的辩论。各方人士各持己见：为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SoC快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，Cynlib c++是最佳的选择，它速度快、代码精简；Supedog的捍卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。

当然，以上所有的讨论都没有提及模拟设计。如果想设计带有模拟电路的芯片，硬件描述语言必须有模拟扩展部分，像Verilog HDL－A，既要求能够描述门级开关级，又要求具有描述物理特性的能力。

2、几种代表性的HDL语言

2．1 VHDL

早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部开始进行VHDL的开发。1987年。由IEEE(In，stitute of Electrical and Electro－nics Engineers)将VHDL制定为标准。参考手册为IEEE VHDL语言参考手册标准草案1076/8版，于1987年批准，称为IEEE 1076－1987。应当注意，起初VHDL只是作为系统规范的一个标滞，而不足为设计而制定的。第二个版本是在1993年制定的，称为VHDL－93，增加了一些新的命令和属性。

虽然有“VHDL是一个4亿美元的错误”这样的说法。但VHDL毕竟是1995年以前唯一制订为标准的硬件描述语言，这是它不争的事实和优势；但同时它确实比较麻烦，而且其综合库至今也没有标准化，不具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计，VHDL是较为合适的。

实质上，在底层的VHDL设计环境是由Verilog HDL描述的器件库支持的，因此，它们之间的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的两个国际组织OVI、Ⅵ正在筹划这一工作，准备成立专门的工作组来协调VHDL和Verilog HDL语言的互操作性。OVI也支持不需要翻译，由VHDL到Verilog的自由表达。

2．2 Verilog HDL

Venlog HDL是在1983年，由GDA(GateWay Design Au－tomation)公司的Phil Moorby首创的。Phil Moorby后来成为Verilog－XL的主要设计者和Cadence公司的第一合伙人。在1984“1985年，Phil Moorby设计出了第一个名为Venlog－XL的仿真器；1986年，他对Verilog HDL的发展义作出了另一个巨大的贡献：提出了用于快速门级仿真的XL算法。

随着Verilog－XL算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速发展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言成为Cadence公司的私有财产。1990年，Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了OVI(Open Verilog InternaUonal)组织，负责促进Verilog HDL语言的发展。基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE标准，即Verilog HDL 1364－1995；2001年了Verilog HDL 1364－2001标准。在这个标准中，加入了Verilog HDL－A标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。

2．3 Superlog

开发一种新的硬件设计语言，总是有些冒险，而且未必能够利用原来对硬件开发的经验。能不能在原有硬件描述语言的基础上，结合高级语言c、c++甚至Java等语言的特点，进行扩展，达到一种新的系统级设计语言标准呢?

Superlog就是在这样的背景下研制开发的系统级硬件描述语言。Verilog语言的首创者Phil Moorby和Peter Flake等硬什描述语言专家，在一家叫Co－Design Automation的EDA公司进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。1999年，Co－Design公司了SUPERLOGTM系统设计语言，同时了两个开发工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。2001年，Co－Design公司向电子产业标准化组织Accellera了SUPERLOG扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天Verilog语言的RTL级综合子集的基础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软件工具所利用，

至今为止。已超过15家芯片设计公司用Superlog来进行芯片设计和硬件开发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是不久前，由于整个IT产业的滑坡，EDA公司进行大的整合，Co－Design公司被Synopsys公司兼并，形势又变得扑朔迷离。

2．4 SystemC

随着半导体技术的迅猛发展，SoC已经成为当今集成电路设计的发展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，集成电路设计界一直在考虑如何满足SoC的设计要求，一直在寻找一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言。

systemC正是在这种情况下，由Synopsys公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、lP公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式SystemC联盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了systemC联盟。SystemC从1999年9月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2，0版。

3、各种HDL语言的体系结构和设计方法

3．1 SystemC

实际使用中，systemc由一组描述类库和一个包含仿真核的库组成。在用户的描述程序中，必须包括相应的类库，可以通过通常的ANSI c++编译器编译该程序。SystemC提供了软件、硬件和系统模块。用户可以在不同的层次上自由选择。建立自己的系统模型，进行仿真、优化、验证、综合等等。

3．2 Supeflog

Superlog集合了Verilog的简洁、c语言的强大、功能验证和系统级结构设计等特征，是一种高速的硬件描述语言。

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++语言。Superlog提供c语言的结构、类型、指针，同时具有C++面对对象的特性。

③Superlog扩展综合子集ESS。ESS提供一种新的硬件描述的综合抽象级。

④强大的验证功能。自动测试基准，如随机数据产生、功能覆盖、各种专有检查等。

Superlog的系统级硬件开发工具主要有Co－Design Au－mmation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同时可以结合具它的EDA工具进行开发。

3．3 Verilog和VHDL

这两种语言是传统硬件描述语言，有很多的书籍和资料叫以查阅参考，这里不多介绍。

4、目前可取可行的策略和方式

按传统方法，我们将硬件抽象级的模型类型分为以下五种：

(1)系统级(system)－用语言提供的高级结构实现算法运行的模型：

(2)算法级(aIgorithm)－用语言提供的高级结构实现算法运行的模型：

(3)RTL级(Register Transfer Level)－描述数据在寄存器之间流动和如何处理、控制这些数据流动的模型。

(4)门级(gate－level)－描述逻辑门以及逻辑门之间的连接模型。

(5)开关级(swish－level)－描述器件中三极管和存储节点以及它们之间连接的模型。

根据目前芯片设计的发展趋势。验证级和综合抽象级也有可能成为一种标准级别。因为它们适合于IP核复用和系统级仿真综合优化的需要，而软件(嵌入式、固件式)也越来越成为一个和系统密切相关的抽象级别。

目前，对于一个系统芯片设计项目，可以采用的方案包括以下几种：

①最传统的办法是，在系统级采用VHDL，在软件级采用c语言，在实现级采用Verilog。目前，VHDL与Verilog的互操作性已经逐步走向标准化，但软件与硬件的协凋设计还是一个很具挑战性的工作。因为软件越来越成为SOC设计的关键。该力案的特点是：风险小，集成难度大，与原有方法完全兼容，有现成的开发工具：但工具集成由开发者自行负责完成。

②系统级及软件级采用Superlog，硬件级和实现级均采用Verilog HDL描述，这样和原有的硬件设计可以兼容。只要重新采购两个Superlog开发工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。该方案特点是风险较小，易于集成，与原硬件设计兼容性好。有集成开发环境。

③系统级和软件级采用SystemC，硬件级采用SystemC与常规的Verilog HDL互相转换，与原来的软件编译环境完全兼容。开发者只需要一组描述类库和一个包含仿真核的库，就可以在通常的ANSI c++编译器环境下开发；但硬件描述与原有方法完全不兼容。该方案特点是风险较大，与原软件开发兼容性好，硬件开发有风险。

5、未来发展和技术方向

微电子设计工业的设计线宽已经从0.251um向0.18um变迁，而且正在向0.13um和90nm的目标努力迈进。到0.13um这个目标后，90％的信号延迟将由线路互连所产生：为了设计工作频率近2GHz的高性能电路，就必须解决感应、电迁移和衬底噪声问题(同时还有设计复杂度问题)。

未来几年的设计中所面临的挑战有哪些?标准组织怎样去面对?当设计线宽降到0.13um，甚至更小尉，将会出现四个主要的趋势：设计再利用；设计验证(包括硬件和软什)；互连问题将决定剥时间、电源及噪声要求；系统级芯片设计要求。

满足来来设计者需要的设计环境将是多家供应商提供解决方案的模式，因为涉及的问题面太广且太复杂，没有哪个公司或实体可以独立解决。实际上，人们完全有理由认为，对下一代设计问题解决方案的贡献，基础研究活动与独立产业的作用将同等重要。

以后EDA界将在以下三个方面开展工作。

①互用性标准。所有解决方案的基础，是设计工具开发过程的组件一互用性标准。我们知道。EDA工业采用的是工业上所需要的标准。而不管标准是谁制定的。但是，当今市场的迅速发展正在将优势转向那些提供标准时能做到快速适应和技术领先的组织。处于领先的公司正在有目的地向这方面投资，那些没有参加开发这些标准的公司则必须独自承担风险。

第9篇：集成电路设计论文范文

关键词: RSA;模乘运算;模幂运算;可重构设计

中图分类号:TP339 文献标识码: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

随着计算机网络的普及与发展,信息安全问题显得格外重要。以RSA密码算法[1]为代表的公钥密码体制[2]在保证数据的机密性、完整性以及签名和认可等方面的突出优点己经使其成为当今网络安全中最重要的解决方法,相应的密码芯片在网络中得到了广泛的应用。

目前,大多数密码芯片是实现一种固定密码算法的专用芯片,不能满足用户们的不同层次的安全性能和预留密码算法升级空间的要求。因此,近年来国内外许多机构和个人都致力于可重构密码芯片设计的研究[3~6]。可重构密码芯片是采用可重构体系结构设计而成的用于对数据进行加/解密处理的集成电路芯片。其内部逻辑电路可以根据不同密码算法的需求重新组织,构成不同的电路结构,实现不同的功能,从而能够灵活、快速地实现多种不同密码算法[3]。

本文在设计RSA算法实现时,综合考虑密钥长度、安全性、性能、面积等因素,在对模幂和模乘运算模块进行了可重构设计的基础上,提出了一种可重构RSA算法结构,在增加很少逻辑单元的情况下,使其能够适配256bit,512bit,1024bit和2048bit四种密钥长度的RSA算法应用,满足不同层次安全性的信息系统的需要。FPGA的原型实现和验证结果表明,该设计能够满足高性能信息安全系统对于公钥密码加密速度的要求,可以作为可重用IP,用于信息安全SoC设计。

2RSA算法

RSA密码算法的明文空间M与密文空间C相等,为Zn(表示mod n所组成的整数空间,取值范围为0~n-1)。

RSA算法描述如下[1]:

(1)选择两个互异的大素数p和q(保密),计算n=p・q(公开),φ(n)=(p-1)・(q-1)(保密),选择一个随机数e(0

(2)已知:明文M

计算密文:C=Me mod n

(3)已知:密文C和私钥KR={d,n}。

计算明文:M=Cd mod n

3RSA算法实现与可重构分析

大数模幂运算是RSA公钥密码算法的核心运算,实现时可以利用模运算的基本性质:[(a mod N)×(b mod N)mod N]=(a×b)mod N, 把模幂运算的中间结果对n取模,从而限制了中间结果的大小,实现更加容易。

3.1 模幂运算算法

本文模幂采用是左到右二进制位扫描算法。首先应该把指数e或者d表示成如下二进制形式:

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

然后从e或者d的最高位扫描到最低位。

输入:m,e,N

输出: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;

}

由于算法同一次循环运算中的两次模乘运算数据相关,所以必须顺序处理,不能并行运算;但硬件实现时只需一个模乘运算单元,实现面积小。

3.2模乘运算算法

模乘模块是左到右二进制位扫描模幂算法的主要运算单元,本文选择基于2的Montgomery算法[7-8]实现模乘运算。

基于2的Montgomery算法如下:

记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

输入:A,B,N

输出: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;

}

该算法主要由2个大数的加法组成。为了保证计算结果S小于N,该算法的循环要执行K+3次[9],因此输出的结果是(A・B・2-(K+2))mod N。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

3.3 由Montgomery算法构造的从左到右二进制扫描位扫描法

由于Montgomery算法的结果并不是(A×B)modN,而是(A・B・2-(K+3))mod N。所以必须对从左到右二进制位扫描法进行修改,首先,必须先进行一次预处理步骤,分别计算C =Monprod(1,R,N)和M2=Monprod(M,R,N),其中R为与N相关的常数,R =22(n +3)mod N。其次,算法结束后再进行一次后处理步骤,计算C =Monprod(1,C,N),这样就可以消除模乘运算结果中多余的参数。具体算法如下:

输入:M,e,N,R

输出: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 可重构性分析

可重构设计以软件编程的方式快速灵活的实现不同硬件电路,克服了软件和硬件实现各自的不足,可以比软件实现有着更好的性能,同时比硬件实现更具有灵活性。可重构模块包含许多可由外部编程控制的计算单元,这些单元由一些可配置连线资源连接着,可以通过对连线资源的改变来形成需要的不同电路。

通过对模幂和模乘运算算法分析可知,不同密钥长度的RSA算法的主要部件大数加法运算模块是可重用部件,而差别主要是在模幂运算的循环次数n、ei的起始位ex和模乘算法的循环次数(K+3)。因此可以以大数加法运算模块为重构元素进行可重构设计,设置n、K+3和ex为可控节点,通过输入信号对可控节点进行可编程控制。例如:当密钥长度为1024的时候,选择n为1024、 ex为e[1023]、K+3为1027; 而当密钥长度为2048的时候,选择n为2048、ex为e[2047]、K+3为2051。

4RSA算法可重构设计

基于模幂、模乘模块的可重构性,本文提出了一种可以根据密钥长度的不同进行可重构的RSA算法实现结构,结构框图如图1所示,分为模乘模块(包括模乘控制器和模乘运算单元)、模幂模块、存储模块三个部分。

图1中各个信号的定义如表1所示。

4.1 模乘模块

模乘模块包括模乘运算单元和模乘控制单元。实现模乘的主要运算是大数的加法。可重构RSA算法的最长密钥长度是2048bit,所以模乘运算模块为2048位。由于2048位的加法是循环进行的,使用进位保留加法器CSA(carry saved adder)是很好的解决方案[10]。CSA将加法结果的和数和进位分别用S和C表示,即进位用C保留下来,作为下一次加法的进位输入。一个一位全加器中,输入 A、B是被加数,输入C是上次加法保留的进位。一个k位的CSA是由k个1位全加器并行组成的,如图2所示。

第i位的结果Si和Ci +1同输入之间的关系为:

Si =Ai ?茌Bi ?茌Ci ;

Ci+1=Ai Bi +Ai Ci +Bi Ci 。

CSA加法器的特点是不会随着位数的增加而产生冗长的进位链,这样既能提高速度,又简化了硬件结构。

由CSA构造的模乘运算单元如图3所示。用两个CSA加法器来实现模乘运算中的两次加法。

在模乘算法循环结束后需要将两个2048bit的数相加得到结果。使用一个32位的CPA(carry propagation adder)将2048bit位的加法分成64个时钟周期完成,CPA的运算结果就是模乘运算的最终结果。CPA加法器的结构如图4所示。

模乘控制单元主要由计数器来实现,不同密钥长度的RSA算法的模乘循环次数不一样,完成一次循环需要一个运算周期,所以计数器的初始载入值也不一样。可重构RSA算法实现由外部输入信号keysize对初始载入值的选择进行控制。初始载入值为密钥长度加上67(3次增加的循环次数和64个CPA加法周期)。例如,当keysize为“00”时,初始载入值为323;当keysize为“01”时,初始载入值为579。每完成一次循环,计数器减一。当计数器为零的时候,表示模乘运算完成。

4.2 模幂模块

模幂模块主要功能是控制模乘模块的循环运算。对模幂模块的可重构设计主要包括对模乘运算循环次数和密钥的控制。由Montgomery构造的从左到右二进制扫描位扫描法硬件结构图如图5所示。

每个输入都有经过相应位数的寄存器。第一次模乘运算(预运算M 2=Monprod(M ,R ,N))结束后,结果存在M-reg中,以备下次使用。第二次模乘运算(预运算 C =Monprod(1 ,R ,N)))结束后,结果存在rrmodn-reg中。接下来每次循环模乘运算的结果都存入rrmodn-reg中。后处理结束后,rrmodn-reg中就是模幂运算的结果。

e_reg用来存储密钥。当load有效时,将外部密钥载入e_reg中。当shift_en有效时,e_reg开始由低位向高位进行位移。具体结构图如图6所示。

e_reg的输出有4位,分别为e_reg的第256、512、1024、2048位,这四位输入一个四选一选择器,由key_seze来选择哪位做为输出。

模幂运算控制模块主要是由计数器来实现。不同密钥长度的RSA算法的模幂循环次数不一样,所以计数器的初始载入值也不一样。初始值为密钥长度加上3(2次预处理和1次后处理模乘运算)。每执行完一次模乘运算,计数器就减一,e_reg也进行一次移位,当计数器的值为零时,就表示所有模乘运算都完成,rrmodn-reg中就是模幂运算的结果了。

对于n位的输入,这种设计要对输入密钥进行n次扫描,每次扫描需要做一次或者两次模乘,同时,在扫描之前要进行预处理,需要做两次模乘,扫描之后要进行后处理,需要做一次模乘,每做一次模乘需要n+3+64个时钟周期。所以,在最坏情况下,加密需要(2n+3)*(n+3+64)个时钟周期,当n为2048时,需要8.67M个时钟周期。

5性能分析

两种设计方法可以实现采用固定密钥长度的RSA算法结构所设计的电路同时适配256bit、512bit、1024bit、2048bit四种不同密钥长度的应用。第一种方法是电路包含256bit、512bit、1024bit、2048bit四种不同密钥长度的固定密钥长度RSA密码算法结构;第二种方法是采用2048bit的固定密钥长度RSA算法结构。前一种方法浪费资源,后一种方法处理数据速度慢。

论文采用FPGA对可重构RSA算法结构进行了原型实现与验证,与采用类似结构实现的固定密钥RSA算法所占资源、最高时钟频率如表2所示。

采用第一种设计方法所占资源为四种固定密钥长度RSA结构之和,即逻辑单元为43308,存储单元为48348;而可重构RSA使用了22897个逻辑单元和24807比特存储单元,节约了47%的逻辑单元和48%的存储单元。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

采用可重构RSA与采用第二种设计方法(即使用2048bit固定密钥长度)分别应用于256bit、512bit、1024bit、2048bit密钥长度系统时的数据吞吐量如表3所示,当应用于256bit、512bit、1024bit密钥长度应用时,采用可重构RSA结构性能更优。

6小结

本文提出并实现了一种使用较少硬件资源的能够适配256bit,512bit,1024bit和2048bit四种密钥长度的可重构RSA算法结构,适配不同密钥长度RSA算法应用,能够更好的满足不同层次安全性的信息系统的需要。

参考文献

[1] Rivest R , Shamir A , Adleman L. A method for obtaining digital signature and public-key crypto- systems [J].Communications of the ACM, 1978, 21(2):120-126.

[2] Diffie W, Hellman M E. New directions in crypto- graph [J]. IEEE Transactions on Information Theory , 1976 , 6 (22) :644-654.

[3] 曲英杰. 可重构密码协处理器的组成与结构.[J] 计算机工程与应用, 2003;23:32-34

[4] R Reed Taylor. A high-performance flexible architecture for cryptography [A]. Seth Copen Goldstein Proceeding of the Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems [C]. London: Springer-Verlag Press, 1999. 231 - 245.

[5] Rainer Bcuchy. A programmable crypto processor architecture for high-bandwidth applications [D]. Germany: Technische University Mü nchen, 2002.

[6] T W Arnold, L P Van Doorn. The IBM PC IXCC: A new cryptographic coprocessor for the IBM Server [J]. I BM Journal of Research and Development, 2004, 48 (3) : 475 -487.

[7] A.Mazzeo, L.Romano, G. P. Saggese FPGA-based Implementation of a serial RSA processor. [C]. Design,Automation and Test in Europe Conference and Exhibition,2003 : 582-587.

[8] Montgomery P L. Modular multiplication without trial division [J].Mathematics of computation, 1985, 44(170): 519- 521

[9] 王超,沈海斌,孟庆.RSA密码算法的硬件实现.[J] 计算机工程与应用,2004.14:127~128,147

[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.

作者简介

伍彬山,厦门大学电子工程系在读硕士研究生,研究方向:集成电路设计与应用;

王云峰,讲师,厦门大学电子工程系硕士研究生导师;

刘智超,厦门大学电子工程系在读硕士研究生,研究方向:集成电路设计与应用;