ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Ю.С. Балашов Д.В. Шеховцов

Проектирование цифровых устройств

для 3D изделий

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2013

УДК 621.396.6

Балашов Ю.С. Проектирование цифровых устройств для 3D изделий: учеб. пособие / Ю.С. Балашов, Д.В. Шеховцов. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. 134 с.

В учебном пособии излагаются основы проектирования цифровых СФ блоков и интегральных схем, применяемых в УБИС типа SoC (System In Chip) и SIP (System In Package). Подробно рассмотрен маршрут проектирования цифровых устройств от описания на системном и логическом уровнях до топологического представления в САПР Cadence с использованием передовой методики разработки интегральных схем.

Пособие ориентировано на обучение с применением современных дистанционных образовательных методик.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 211000 «Конструирование и технология электронных средств», магистерской программе 211000.68 «Информационные технологии проектирования электронных средств, выполненных по субмикронной технологии»), дисциплинам «Основы проектирования устройств «Система на кристалле и «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле Шеховцов 3D.doc

Табл. 3. Ил. 49. Библиогр.: 17 назв.

Рецензенты: ОАО «Концерн «Созвездие»

(д-р техн. наук, начальник научно-

технического управления Н.М.Тихомиров);

канд. техн. наук, проф. Б.В. Матвеев

© Балашов Ю.С., Шеховцов Д.В., 2013

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2013

Введение

Учебно-методический комплекс дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий» содержит:

1. Программу учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий».

2. Конспект лекций.

3. Методические указания по проведению вебинара.

4. Контроль усвоенного материала. Тестовые вопросы.

5. Методические указания по выполнению практических заданий.

6. Методику дистанционного выполнения практических заданий.

7. Методические указания преподавателям, ведущим занятия по дисциплине.

8. Методические указания по самостоятельной работе слушателей.

9. Методические указания слушателям по изучению дисциплины.

10. Цифровые образовательные ресурсы.

11. Вопросы самопроверки.

1. Программа учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3d изделий»

Программа учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий» содержит:

1.1. Паспорт программы учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий»

1.2. Структуру и примерное содержание учебной дисциплины

1.3. Условия реализации программы учебной дисциплины

1.4. Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины

1.1. Паспорт программы учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий»

Область применения программы

Программа учебной дисциплины является частью профессиональной образовательной программы опережающей профессиональной переподготовки, ориентированной на инвестиционные проекты РОСНАНО по созданию технологического центра 3D сборки с производством электронных наноматериалов и 3D изделий в части освоения вида профессиональной деятельности: схемотехническое моделирование и топологическое проектирование сверхбольших интегральных систем и соответствующих профессиональных компетенций (ПК).

Место дисциплины в структуре профессиональной образовательной программы

Дисциплина «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий» относится к профессиональному модулю «Схемотехническое моделирование и топологическое проектирование сверхбольших интегральных систем».

Для изучения дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий» слушатели должны владеть основами схемотехники аналоговой электроники, физическими основами микро- и наноэлектроники, основами использования системы автоматизированного проектирования Cadence.

Дисциплина «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий» является вводной для дисциплины «Проектирование систем в корпусе».

Для изучения данной дисциплины специалист должен владеть знаниям, умениями и профессиональными компетенциями в рамках предшествующих модулей.

Цели и задачи учебной дисциплины – требования к результатам освоения дисциплины

Целью дисциплины является теоретическая и практическая подготовка специалистов в области проектирования цифровых устройств, модулей, блоков и цифровых компонент в аналого-цифровых (смешанных) блоках для 3D изделий с использованием методики дистанционного обучения

Задачами дисциплины является изучение принципов логического и топологического синтеза, проектирования, характеризации цифровых модулей для систем в корпусе, а так же временному, энергетическому и топологическому анализу и оптимизации с применением современных пактов прикладных программ проектирования.

В дисциплине рассматриваются вопросы проектирования цифровых устройств на RTL уровне, моделированию, логическому синтезу, синтезу топологии, временному, энергетическому и топологическому анализу и характеризации; рассмотрению вопросов анализа и оптимизации дерева синхронизации, сетки питания, статическому и динамическому анализу временных задержек и питания; рассмотрению особенностей топологического проектирования цифровых устройств для 3D-изделий.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций.

- Обладание навыками автоматизированного проектирования аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых сложно-функциональных блоков СБИС (ПК 8)

- Обладание навыками тестирования, выявления погрешностей при проектировании, внесения изменений в топологию для получения заданных параметров СБИС (ПК 9)

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

- основы логического синтеза цифровых схем, проектирование на RTL уровне;

- принципы поведенческого, RTL и временного моделирования цифровых схем;

- основы синтеза топологии цифровых модулей, блоков и устройств для 3D изделий;

уметь:

- работать с современными пакетами прикладных программ;

- проектировать цифровые устройства для систем в корпусе;

- проводить логический и топологический синтез с учетом специфики применения их в 3D изделиях

- моделировать электронные схемы, используя пакеты автоматизированного проектирования и исследования;

- проводить характеризацию цифровых модулей для систем в корпусе, а так же временной, энергетический и топологический анализ и оптимизацию с применением современных пактов прикладных программ проектирования;

- интегрировать цифровые компоненты, модули, сложно-функциональные блоки в 3D изделия;

владеть:

- современными пакетами прикладных программ проектирования аналоговых модулей для 3D изделий;

- навыками автоматизированного проектирования цифровых сложно-функциональных блоков для 3D изделий;

- навыками работы с современными пакетами прикладных программ, в том числе с пакетами Cadence, владения Design-Kit технологиями.

Рекомендуемое количество часов на освоение учебной дисциплины

Максимальной учебной нагрузки обучающегося – 58 часов, в том числе обязательной учебной нагрузки обучающегося – 41 час.

1.2. Структура и примерное содержание учебной дисциплины

Объем учебной дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Количество часов
Максимальная учебная нагрузка (всего)	58
Обязательная учебная нагрузка (всего)	41
в том числе:
практические занятия	24
контрольные работы	-
Промежуточная аттестация в форме письменной квалификационной работы
Выпускная квалификационная работа

Примерный тематический план и содержание учебной дисциплины «Проектирование цифровых устройств для 3D изделий»

Таблица 1.1

Наименование разделов и тем	Содержание учебного материала, практические работы обучающихся (если предусмотрены)	Количество часов	Уровень освоения
1	2	3	4
Раздел 1 «Маршрут проектирования цифровых устройств»
Тема 1.1	Содержание учебного материала	2	3
	Методология проектирования цифровых устройств для 3D изделий. Маршрут проектирования цифровых устройств Cadence. Цифровой Design-Kit. Формирование ограничений (временных, топологических, энергетических).
Тема 1.2	Содержание учебного материала	2	3
	Описание цифрового устройства на HDL языках. Стили описания, RTL-уровень. Моделирование цифровых устройств. Создание тестового окружения. Логический синтез. Синтез электрической схемы.
	Практические работы
	Моделирование цифрового устройства на RTL уровне.	8

Продолжение табл. 1.1

1	2		3	4
Раздел 2 «Топологическое проектирование цифровых устройств»
Тема 2.1	Содержание учебного материала		3	2
	Топологическое проектирование цифровых устройств для 3D изделий. Состав и структура технологических библиотек. Описание и назначение слоев технологических примитивов, ячеек, устройств и межсоеденений.
Тема 2.2		Содержание учебного материала	2	3
		Технологические правила для разработки топологии цифровых устройств. Классификация правил, состав, структура и физический (топологический) смысл. Правила для примитивов. Правила для блоков ввода-вывода, учет защиты от статического разряда. Правила для контактных площадок.
Тема 2.3		Содержание учебного материала	2	3
		Трассировка межсоединений. Трассировка шин и критических сигналов. Правила трассировки и учет целостности сигналов. Оценка задержек и анализ перекрестных наводок. Топологические приемы их устранения. Учет стратегии тактирования.

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4
Тема 2.4	Содержание учебного материала	2	2
	Синхронизация цифровых устройств. Построение дерева синхронизации. Анализ задержек по кристаллу и «разбег» фронтов. Временная характеризация. Анализ дерева синхронизации. Оптимизация задержек.
Тема 2.5	Содержание учебного материала	2	3
	Разводка питающих цепей. Энергетическая оптимизация. Статический и динамический анализ питания.
Тема 2.6	Содержание учебного материала	2	3
	Физическая верификация топологии цифрового устройства.
	Практические работы
	Проектирование топологии инвертора. Обеспечение требуемых характеристик по быстродействию, устойчивости и энергопотреблению.	8
	Топологическое проектирование регистра. Построение дерева синхронизации.	4
	Физическая верификация топологии цифрового устройства.	4
	Самостоятельная работа. Рефераты: «Языки описания аппаратных средств», «Особенности топологического проектирования цифровых устройств для 3D изделий», «Временная характеризация цифровых устройств», «Энергетическая оптимизация цифровых устройств».	17
	Всего:	58

1.3. Условия реализации программы учебной дисциплины

Требования к минимальному материально-техническому обеспечению

Специализированные лаборатории, оснащенные рабочими станциями с ОС Linux ГОУ ВПО «ВГТУ».

Программное и коммуникационное обеспечение – САПР: Cadence IC5.1.4.1, SPB16.x, IUS8.2, SOC6.2.

Информационное обеспечение обучения

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы.

Основная литература:

1. Digital Integrated Circuit Design, Hubert Kaeslin, Cambridge University Press ISBN: 9780521882675 , United Kingdom, 2008

2. Ю.Ф. Адамов. Проектирование систем на кристалле. Москва 2005.

3. Поляков А. К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 320 стр.

4. Емец С. Verilog - инструмент разработки цифровых электронных схем

5. Cadence Verilog Language and Simulation 3.4. Lecture Manual, 2002. -1062 стр.

6. IEEE Std 1364-2001. IEEE Standard Verilog Hardware Description Language, 2001. – 778 стр.

7. Каршенбойм И. Краткий курс HDL. Часть 5. Несколько слов об отладке проекта. – Компоненты и технологии, №10, 2008. – стр. 134-137

8. Стешенко В. Б., Руткевич А. В., Гладкова Е., Шишкин Г., Воронков Д. Проектирование СБИС типа "Система на кристалле". Маршрут проектирования. Синтез схемы. Часть 1 – Электронные компоненты, №1, 2009.

9. Using Encounter RTL Compiler. Product Version 8.102. 2008. - 282 стр.

10. Горлов М.И., Строганов А.В., Адамян А.Г. Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия //ChipNews. 2001 № 1-2.

11. Проблемы целостности сигналов. Г. Верхейен. Сайт: Новости микроэлектроники, http://Chipnews.gaw.ru.

12. Проектирование СБИС типа «система на кристалле». Маршрут проектирования. Топологическое проектирование. Синхронизация и тактовые деревья. Часть 2., Стешенко В., Руткевич А., Гладкова Е., Электронные компоненты № 3, 2009.

13. Diva. Reference. Version 5.0, 2005.

14. Cadence. Assura Physical Verification. User Guide. V 3.1.7, 2008.

15. Calibre. User’s Manual. Software Version 2005.2.

16. Cadence. Verilog-NC. Reference. Cadence.

17. Cadence. NCLaunch. User Guide. V 5.7, 2008.

18. Cadence. SimVision. User Guide. V 5.7 2008.

19. Virtuoso. Cadence. Version 5.1.41. 2003.

20. Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator Reference. Cadence Design Systems.

21. Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator User Guide. Cadence Design Systems.

22. Reference Manual For Generic 90nm Salicide 1.2V/2.5V 1P 9M Process Design Kit (PDK) Revision 4.5. Cadence Design Systems.

23. GPDK 90 nm Mixed Signal GPDK Spec. Cadence Design Systems.

24. Сафонов И.А., Сумин А.М. Моделирование аналоговых устройств: конспект лекций. – Воронеж: ВГТУ, 2010.

25. Сафонов И.А., Сумин А.М. Схемотехническое проектирование аналоговых устройств: конспект лекций.– Воронеж: ВГТУ, 2010.

26. Русанов А.В., Сафонов И.А. Проектирование топологии аналоговых устройств: конспект лекций.– Воронеж: ВГТУ, 2010.

Дополнительная литература:

1. Рабаи Ж.М., Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования: пер. с англ. / Б. Уилкинсон. М.: ИД «Вильямс», 2004. – 894 c

Рубежный контроль текущей успеваемости проходит в виде компьютерного тестирования.

Общие требования к организации образовательного процесса

Для реализации компетентностного подхода при изучении курса используются контекстные, личностно-ориентированные, проблемно-ориентированные и современные информационные технологии обучения, кроме того, используются обучение на основе опыта, обучение в команде и др.

Для лекционного курса разработаны конспекты лекций, презентации по теме и цифровые образовательные ресурсы. В качестве лабораторного практикума используются индивидуальные задания для выполнения практических работ с использованием дистанционного метода доступа к серверу приложений и консультации высококвалифицированных специалистов.

Рубежный контроль текущей успеваемости представлен в виде компьютерного тестирования.

1.4. Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины

Образовательное учреждение, реализующее подготовку по учебной дисциплине, обеспечивает организацию и проведение промежуточной аттестации и текущего контроля демонстрируемых обучающимися знаний, умений и навыков. Текущий контроль проводится преподавателем после изучения курса лекций, просмотра видеолекции, во время проведения вебинара, а также в процессе выполнения практических работ. Формы и методы текущего контроля по учебной дисциплине самостоятельно разрабатываются образовательным учреждением и доводятся до сведения обучающихся в начале обучения.

Для текущего контроля образовательными учреждениями создаются фонды оценочных средств (ФОС).

ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные материалы, предназначенные для определения соответствия (или несоответствия) индивидуальных образовательных достижений основным показателям результатов подготовки (табл. 1.2).

Оценка знаний, умений и навыков по результатам текущего контроля производится в соответствии с универсальной шкалой (табл. 1.3).

Таблица 1.2

Раздел (тема) учебной дисциплины	Результаты (освоенные умения, усвоенные знания)	Основные показатели результатов подготовки	Формы и методы контроля
1 Маршрут проектирования цифровых устройств	ПК 8	Проектирование цифровых устройств на RTL уровне	тест
2 Проектирование цифровых устройств	ПК 8 ПК 9	Выполнение моделирования, логического синтеза. Создание топологии цифровых устройств для 3D изделий	тест

Таблица 1.3

Процент результативности (правильных ответов)	Качественная оценка индивидуальных образовательных достижений
	балл (отметка)	вербальный аналог
90 ÷ 100	5	отлично
80 ÷ 89	4	хорошо
70 ÷ 79	3	удовлетворительно
менее 70	2	не удовлетворительно