课程大纲

课程基本信息（Course Information）

课程代码（Course Code）

MR310

*学时（Credit Hours）

68

*学分（Credits）

4

*课程名称（Course Name）

（中文）数字集成电路设计

（英文）Digital Integrated Circuit Design

课程类型 (Course Type)

专业基础课

授课对象（Target Audience）

本科三上

授课语言(Language of Instruction)

全中文

*开课院系（School）

电子信息与电气工程学院 微纳电子系

先修课程（Prerequisite）

电路分析、数字逻辑设计

后续课程
(post）

SOC设计

*课程负责人（Instructor）

付宇卓

课程网址
(Course Webpage)

https://oc.sjtu.edu.cn/courses/23941

*课程简介（中文）（Description）

（中文300-500字，含课程性质、主要教学内容、课程教学目标等）

这门课程是连接底层器件和高层设计的关键课程，都是一门重要的专业基础课程。该课程着重介绍深亚微米工艺下MOSFET类型的晶体管实现数字电路的基本原理和静态、动态特性分析方法，在此基础上讲解静态、动态、伪nMOS逻辑等组合电路的实现方法以及基于逻辑努力的电路速度优化方法，组合电路进一步向上延伸到规模化功能逻辑，着重介绍加法器的结构设计。此外介绍时序电路设计、时序约束、时钟互连线等的电路构成和包括功耗、时序、速度等电特性的优化技术。本课程能力要求主要通过HSPICE工具完成电路设计、功能模拟、性能优化的技能，训练学生从简单的反相器开始，一直到复杂的多位加法器设计。在Cadence上完成基本的版图设计，也是本课程实践环节的训练内容。

*课程简介（英文）（Description）

（英文300-500字）

This course is the fundamental of VLSI major, and it connects semiconductor device/processing and VLSI high level design. This course covers the design and implementation of digital circuits in a modern VLSI process technology. Topics will include device charateristics(static VTC,threshold voltage,noise margin,dynamic timing, power calculating) theoretical analysis, logic gate design(CMOS,pseudo nMOS,pass transistor,dynamic logic), functional unit design(shift,comparator,adder), latch/flip-flop design, system clocking, memory design, clock distribution, power supply distribution, design for test, and design for manufacturing. The lab component of the course will focus on using modern computer aided design (CAD) software to design, simulate, and lay out digital circuits. 

课程目标与内容（Course objectives and contents）

*课程目标(Course Object)

结合本校办学定位、学生情况、专业人才培养要求，具体描述学习本课程后应该达到的知识、能力、素质、价值水平。

1.   学生了解微电子发展的历史，自巴贝奇的计算机模型和工程实现、图灵的计算机理论、阿波罗计划促生的集成电路产业、Intel的发展史、Noyce\Kilby\Moore\Schottky等伟大学者的自传、介绍我国半导体产业史、介绍半导体全球现状和未来趋势。（A2,A3,A4,D1,D2,D3,D4）

2.   学生领会集成电路在晶体管层次的构成和工艺技术，了解深亚微米工艺的特殊性（A2,A3,A4,B2,B4,B5）；

3.   学生掌握集成电路的基本逻辑单元反向器的直流/交流电特性分析并能实施于HSPICE、掌握反相器链优化技术并能实施于HSPICE、掌握基本反相器的版图级设计流程(B2,B4,C3)；

4.   学生熟悉组合逻辑电路的各种类型和构成原理，能用时延分析估算CMOS组合逻辑的时延(B2,B4)；

5.   学生熟悉运用逻辑努力方法分析逻辑电路中的优化问题，包括非对称电路和高低扭斜电路优化问题(B2,B4)，能够用HSPICE设计优化的组合逻辑(B2,B4,C3)；

6.   学生掌握有比逻辑、传输管逻辑、动态逻辑的设计原理和需要注意的设计问题(B2,C3)；

7.   学生掌握线和互联所面临的问题，能够使用经典Elmore模型分析互联的RC效应(B2,B4)；

8.   学生了解时序逻辑的基本分类和构成(B2)；

9.   学生掌握基本时序电路的构成原理和时序约束，能分析动态、静态锁存器和触发器各种类型的电路原理(B2)；

10.  学生掌握加法器的各种设计原理，能运用PG图分析复杂加法器的构成，能够用HSPICE设计复杂的加法器设计(B2,B4，C3,C5)

（说明：以学生为主语清晰叙述，需包含课程育人目标与内容，每个目标后面对应人才培养目标要素）示例：

1.能了解工程设计的基本方法，认识从设计到制造的全过程，以国家重大工程为引导增强民族自信，提升专业热情。（A4）

2.能了解产品设计表达的基础，运用正投影的概念表达空间要素，提高形象思维能力，并能正确求解一般空间问题。（B2）

毕业要求指标点与课程目标的对应关系

（根据学院要求填写）

课程目标

毕业要求指标点

指标点1：：具有电子电路实验设计、安装、调试等基本能力，能够合理分析遇到问题的机理模型，给出合理的实验方案。

毕业要求2：具有良好的问题分析能力，能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析微电子科学与工程领域的复杂工程问题，以获得有效结论。

指标点2：掌握微电子科学与工程专业的核心知识，具备针对相关领域的复杂工程问题的方案设计能力。

毕业要求3：具有良好的设计/开发解决方案的能力，能够设计针对微电子科学与工程领域的复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

指标点3：：能够根据实验目的确定需要的数据及其精度,能够合理设计实验，分析与解释数据。

毕业要求4：具有良好的研究能力，能够基于科学原理并采用科学方法对微电子科学与工程领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

指标点4：掌握网络搜索工具的使用方法，熟悉多种软件仿真工具的运用，能对工程问题进行预测和分析，并知晓其局限性。

毕业要求5：具有良好的使用现代工具的能力，能够针对微电子科学与工程领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

*教学内容进度安排及对应课程目标 (Class Schedule & Requirements & Course Objectives)

章节

教学内容（要点）

教学目标

学时

教学形式

作业及考核要求

课程思政融入点

对应课程目标

第一章

DIC characteristic introduction Bottom-up

了解集成电路发展历史，学习器件的基本DC和瞬态属性

建立数字电路逐级抽象的概念，理解CMOS器件构成数字集成电路的原理

2

讲授

给定逻辑可以绘出CMOS电路图，给定CMOS电路图，能够推出逻辑表达式

介绍集成电路中国的奋斗史，通过讲解我国集成电路的整体差距号召更多学生建立起投身产业报国

第一章

CMOS fabrication processing

CMOS process step litho

CMOS process implant

CMOS rpocess step assembling

建立器件制作的工艺步骤、wafer工艺步、封装装配的工艺步

2

讲授

Layout fundamental

Design Rule of Mead&Conway

Design for Testing Fundamental

Built-in-Scan-Testing

介绍拉姆达规则和版图基本知识

介绍测试的基本原理，着重介绍BIST的伪随机向量生成

2

讲授

能够根据电路图绘制简单的版图，给定版图能够写出其逻辑表达式，给定电路能够写出SA0/1的测试向量

Chapter2-CMOS transistor device

CMOS transistor principle for linear condition

Ideal I-V characteristics under static conditions

Velocity Saturation

I-V curve under Velocity effecting

MOS器件基本工作原理，包括理想IV特性曲线，MOS三种工作状态，速度饱和

2

讲授

任意给定栅源工作电压、漏源工作电压可判断器件工作状态，能够推到并熟记MOS的IV公式

Device Capacitance Caculating

Nonideal I-V effects

Process Variation

New tech of device in the past ten years

了解非理想情况下温度、衬底电压、漏源电压对开启电压的影响，了解新技术对Moore定律延续的关键 节点

2

讲授

对亚阈值电压形成的漏电流、衬底电压增加阈值电压、Latchup效应等内容需要掌握

SPICE introduction/FinFET overview

a RC circuit example

HW1 Review/Lab1 announcement

Quiz1

了解FinFET技术

2

讲授

对SPICE安装和基本语法掌握

指标1，指标4

Chapter3-CMOS inverter

CMOS inverter at a glance

NMOS inverter,TTL inverter principle

CMOS interver static behavior VTC,Gain

device ratio

分析反相器的基本VTC建立过程，各类DC特性计算

2

讲授

给定两个管子尺寸可以计算VM，噪声容限，增益，掌握高低噪声容限对称的器件尺寸比值计算过程

指标1，指标2

Inverter capacity computing

miller effect

Delay calculating of CMOS inverter

optimazing ratio for least delay of inverter

计算负载电容，延迟计算

介绍国定级数反相器链的优化过程

2

讲授

掌握延迟对称的计算过程以及最小延迟的计算过程

Inverter chain computing

Fixed stage and optimization stage

Examples of inverter chain

Revised expression thinking about rising-f

理解反相器链路优化的推导过程

2

讲授

掌握任意设定大电容下反相器链路的设计优化

Lab2 announcement/Lab1 review

review HW2

review Lab1

quiz2

尝试设计反相器链的指标优化，进一步熟悉SPICE使用

2

讲授

能够测量复杂的条件参数

指标1，2

Power, Energy, and Energy

low power tech.

transistor sizing(CD)

讲解静态功耗、动态功耗、瞬态功耗的计算方式

2

讲授

掌握动态功耗的计算

Chapter 6-Wire

Wire Capacitance

Wire Resistor

讲解线电容、电阻的模型建立过程

2

讲授

可用LUMP模型计算线的延迟

Wire crosstalk issue

Elmore module

review chapter1,2,3,6

2

讲授

mid term

2

考核前几章的学习效果

Chapter4-logic

CMOS static characteristic,VTC,input pattern effect

CMOS propagate delay,input patter effect

delay effected by fan-in/fan-out

How to choose design techniques for larg

讲解组合逻辑的输入组合对VTC的影响

2

讲授

掌握复杂网络CMOS逻辑的尺寸标注

Multistage Logic Networks

Choosing the Best Number of Stages

Example for different logic circuit

Summary

讲解逻辑努力的定义和复杂网络级联的最优化尺寸设计

2

讲授

任意给定带有分支的复杂网络，能够手算设计各级尺寸最优化整体线路延迟

指标3

special edge logic effect

specila path logic effect

more examples of logic effect

讲解针对特定路径，以及特定扭斜的逻辑努力优化

2

讲授

任意给定特定延迟优化需求，可以计算出最优延迟并给出计算过程

Lab3 announcement/Lab2 review

Review HW3

Review Mid term

熟悉Cadence环境的设计流程

2

讲授

掌握包括后端模拟在内的工业化设计流程

Resistive load

Depletion NMOS

Pseudo NMOS

DCVSL logic

介绍伪NMOS逻辑的设计原理注意事项

2

讲授

能够在使用伪NMOS逻辑电路时避免其电路缺陷

Dynamic logic properties

Dynamic logic design issues

Dynamic logic cascade solution

介绍动态逻辑电路的设计原理

2

讲授

能够在使用动态逻辑电路时避免其电路缺陷并能够标出动态电路的尺寸，并可以计算其逻辑努力

Power Estimation of Combinational Logic

several Lower power technology

quiz3

介绍组合逻辑的功耗计算

2

讲授

能够计算复杂逻辑的输出的0-1概率

Chapter5-Datapath

Full adder various circuit implementation

Manchester Carry Chain

P/G rule

介绍基本加法器单元的结构，介绍基本1位的PG逻辑

2

讲授

掌握一位全加器的设计

Carry-Skip Adder

Carry-Lookahead Adder

Carry-Select Adder

Carry-Increment Adder

介绍多位PG的递归表达方法，并以此介绍先行进位、选择进位、增量进位等加法器

介绍曼城斯特进位链的结构

2

讲授

掌握利用PG图分析各类加法器的计算延迟和过程

Lab 4 announcement/Lab3 review

Review HW 4

quiz4

四位加法器设计布置

2

讲授

掌握四位全加器的各种优化技术并能够通过测量手段优化设计

指标3，4

Brent-Kung adder

Sklansky adder

Kogge-Stone adder

adder summary

介绍树型加法器的典型结构，并综述完整的多维度结构

2

讲授

掌握三种典型的树型加法器，能够通过PG图分析每类加法器的特点和延迟

Complementation multiplication

Wallace tree

Booth encoder

Serial multiplication

介绍华莱士编码和基本乘法器结构

2

讲授

Chapter7- Sequential Circuit

Timing definition

Min&Max Constrain

Time borrow&Time Skew

介绍基本的延迟定义，包括污染延迟，广播延迟，在FF和Latch上正确工作的时序约束，在同步电路中的时钟约束

2

讲授

任意给定触发器的基本时序参数，能够根据工作时钟和扭斜计算逻辑延时的约束关系

Latch circuit principle

FF circuit principle

Various static FF design/Dynamic FF principle

(reset/rest)

基本触发器和锁存器的工作原理，以及围绕0-0，1-1重叠的解决方案，介绍施密特触发器

2

讲授

掌握基本的触发器工作原理

Chapter8-memory

SRAM

DRAM

ROM

FPGA based circuit

介绍各类存储器的工作原理

2

讲授

能够陈述各类存储器的差异

Review5

memory computing/Review Lab 4/special topic

Review HW 5

quiz5

review chapter 4,5,7,8

2

讲授

注1：建议按照教学周周学时编排，以便自动生成教学日历。

注2：相应章节的课程思政融入点根据实际情况填写。

课程目标达成度评价

（根据学院要求填写）

               课程目标                                 

考核方式

平时作业(20分)

课程项目(30分)

期末考试 （50分）

课程目标权重

课程目标达成度

*考核方式(Grading)

（成绩构成）

作业7*3，实验报告4*4，测验4*3、期中考试22、期末考试26、课程评价报告1*3

*教材或参考资料(Textbooks & Other Materials)

数字集成电路：设计透视(第2版影印版)/国外大学教材微电子类系

作者:拉贝(Rabaey,J.M.),钱德拉卡山(Chandrkasan,A.),尼科

出版社：清华大学出版社

出版日期：2004-03-01 ISBN：9787302079682

CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective (4th Edition)

作者: Neil Weste

ISBN: 9780321547743

出版社: Addison-Wesley

出版日期: 2010-03-11

其它（More）

备注（Notes）

备注说明：

      1．带*内容为必填项。  

   2．课程简介字数为300-500字；课程大纲以表述清楚教学安排为宜，字数不限。