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集成電路工藝與設(shè)計(jì)范文第1篇

關(guān)鍵詞： 有限域； 模乘； 模2運(yùn)算； 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

加密是保證信息安全的主要途徑之一，被廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)的各個(gè)方面，如智能卡、手機(jī)銀行、無線局域網(wǎng)和傳感網(wǎng)等便攜式設(shè)備中。因此設(shè)計(jì)快速、低功耗的硬件加密模塊至關(guān)重要。加密算法基于有限域的運(yùn)算，而模乘運(yùn)算是有限域運(yùn)算的核心運(yùn)算之一，其運(yùn)算速度對(duì)加密算法的實(shí)現(xiàn)起著重要作用，其功耗的高低會(huì)直接影響使用性能。

模乘運(yùn)算是基于有限域的多項(xiàng)式乘法的模運(yùn)算，一般通過移位和模2加運(yùn)算代替多項(xiàng)式乘法和除法運(yùn)算。文獻(xiàn)[1-5]從算法的角度對(duì)如何提高模乘運(yùn)算效率進(jìn)行了討論。本文分析了模乘運(yùn)算的原理與特點(diǎn)，綜合軟硬件知識(shí)設(shè)計(jì)了一種小規(guī)模、快速、低功耗的模乘運(yùn)算電路模乘電路使用Verilog HDL設(shè)計(jì)，在Quartus II開發(fā)軟件中仿真，通過FPGA實(shí)現(xiàn)。電路引入雙沿工作的寄存器，在系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率不變的情況下，不僅使模乘運(yùn)算的速度加倍，還可使電路的功耗大大降低。

1 模乘算法

有限域GF(2n)上二進(jìn)制多項(xiàng)式系數(shù)運(yùn)算以2為模，運(yùn)算時(shí)不考慮進(jìn)位和借位。模2加減是按位執(zhí)行“異或”運(yùn)算，模2乘除則采用模2加減計(jì)算部分積和部分余數(shù)。若被乘數(shù)f(x)、乘數(shù)g(x)、模m(x)多項(xiàng)式定義如式⑴⑵⑶所示：

則有限域GF(2n)上模乘運(yùn)算如公式⑷[6]所示。

若直接根據(jù)公式⑷在GF(2n)上執(zhí)行多項(xiàng)模乘運(yùn)算，需要用到多項(xiàng)式乘法和除法運(yùn)算，時(shí)間開銷較大，也難以用軟件硬件實(shí)現(xiàn)[7-8]，因此我們將式⑷變換為式⑸[6]：

式⑸表明：xi×g(x)多項(xiàng)式模乘運(yùn)算可以重復(fù)使用i次式⑸來實(shí)現(xiàn)。這樣一來，在有限域GF(2n)上，式（4）定義的多項(xiàng)式模乘運(yùn)算可以直接使用兩個(gè)n位的二進(jìn)制整數(shù)相乘，并通過多個(gè)中間結(jié)果作移位和模2加來實(shí)現(xiàn)。

2 模乘運(yùn)算器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電路設(shè)計(jì)

基于式⑸的模乘運(yùn)算器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。加電后電路按如下時(shí)序工作：

第一步，當(dāng)Clr端收到負(fù)脈沖“ ”時(shí)，fxl、gxr和fgxm寄存器異步裝入初值（如圖1所示）。

第二步，當(dāng)寄存器fxl的最高位為“1”，fxl mx fxm，實(shí)現(xiàn)模乘運(yùn)算；否則fxlfxm。當(dāng)寄存器gxr的最低位為1時(shí)，fgxm fxmfxm1；否則fgxmfxm1。

第三步，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，電路同時(shí)完成如下三項(xiàng)工作：一是將fxm1存入fgxm寄存器；二是將fxm左移一位（低位補(bǔ)“0”）存入fxl寄存器；三是將gxr寄存器內(nèi)容右移一位（高位補(bǔ)“0”）。重復(fù)第二、三步直到gxr寄存器為全“0”時(shí)，運(yùn)算結(jié)束。fgxm寄存器的內(nèi)容為所需的多項(xiàng)式模乘運(yùn)算的乘積，通過fgx輸出。

圖1 模乘運(yùn)算器電路結(jié)構(gòu)示意圖

模乘運(yùn)算電路的規(guī)模取決于所采用的控制電路的規(guī)模。在圖1中，將模運(yùn)算（fxm）和左移操作合二為一，減少了電路的運(yùn)算步驟與工作延時(shí)；利用乘數(shù)寄存器gxr右移時(shí)空出的高位補(bǔ)“0”，當(dāng)gxr寄存器的值為全“0”時(shí)完成一次模乘運(yùn)算。這樣設(shè)計(jì)，一方面不需要額外增加控制電路，減少了模乘運(yùn)算器電路的規(guī)模；另一方面加速了運(yùn)算過程，完成一次模乘運(yùn)算平均只需n/2個(gè)時(shí)鐘邊沿信號(hào)。

2.2 快速低功耗設(shè)計(jì)

模乘運(yùn)算器的主要邏輯部件之一是寄存器，時(shí)鐘信號(hào)是寄存器必備的輸入信號(hào)之一。傳統(tǒng)的寄存器僅對(duì)時(shí)鐘的上升沿或下降沿敏感，十個(gè)單邊沿觸發(fā)器[9]，在另一方向上的時(shí)鐘跳變成為一種冗余跳變，所對(duì)應(yīng)的功耗也是多余的。如果能對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)邊沿都能敏感，不僅可以降低電路的功耗，還可以使模乘運(yùn)算器的運(yùn)算速度加倍，從而提高系統(tǒng)的效率。依據(jù)文獻(xiàn)[10]的設(shè)計(jì)思想和主從觸發(fā)器的工作原理，我們利用“與非“門”組成雙沿觸發(fā)器的寄存器并用于模乘運(yùn)算器器電路中（如圖1中的fxl、gxr和fgxm寄存器），使模乘運(yùn)算速度加倍、功耗減半。兩種模乘運(yùn)算器的工作波形如圖2所示。

由圖2可知，相對(duì)于單邊沿寄存器組成的模乘運(yùn)算器而言，在相同頻率時(shí)鐘的作用下，雙邊沿寄存器組成的模乘運(yùn)算器運(yùn)算速度加倍，同時(shí)避免了時(shí)鐘冗余跳變，從而大幅降低了模乘運(yùn)算器電路的功耗。

(a) 單邊沿模乘運(yùn)算器波形圖

(b) 雙邊沿模乘運(yùn)算器波形圖

圖2 單、雙邊沿乘法器時(shí)序?qū)Ρ葓D

3 仿真波形與實(shí)例分析

我們應(yīng)用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)基于有限域高速、低功耗的模乘運(yùn)算器電路模型，并用Visual FoxPro語言進(jìn)行了軟件驗(yàn)證，證明所有運(yùn)算結(jié)果完全正確。選擇EP2C5Q208CN芯片，在Quartus II開發(fā)工具中配置、綜合和優(yōu)化后通過Quartus II中的Programmer工具下載到芯片中，可以快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)模乘運(yùn)算操作且占用面積小，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖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為模的多項(xiàng)式模乘運(yùn)算仿真波形；模乘運(yùn)算過程如表1所示。

在有限域中,每個(gè)多項(xiàng)式都可以表示為二進(jìn)制整數(shù)，反之亦然，也就是說m(x)=x8+x4+x3+x+1等價(jià)于二進(jìn)制數(shù)100011011B或十六進(jìn)制數(shù)11BH，f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH、g(x)=x5+x4+x2+1=35H。圖2中的各數(shù)值為相應(yīng)多項(xiàng)式系數(shù)的十六進(jìn)制表示。

由表1可知，計(jì)算步驟1、2在單邊沿模乘運(yùn)算器中需要使用T1和T2兩個(gè)時(shí)鐘的上升沿，而在雙邊沿模乘運(yùn)算器中只需要使用一個(gè)時(shí)鐘T1的上升沿和下降沿完成，這不僅加速了運(yùn)算過程，同時(shí)也減少了時(shí)鐘的冗余跳變，降低了功耗。

表1中計(jì)算步驟1為初始化操作。計(jì)算步驟2中，首先因gxr(x)=x5+x4+x2+1=35H多項(xiàng)式系數(shù)的第0位為1，模乘部分積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)分別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)多項(xiàng)式系數(shù)的最高位為0，fxm(x)=fxl(x)=x7+x5+x4+x3+x2+x，這為下一步驟中模乘部分積的計(jì)算準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)；重復(fù)上述操作，直到多項(xiàng)式gxr(x)=0，通過finsh輸出正脈沖“ ”，表示完成一次模乘運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過fgx輸出。

表1 模乘運(yùn)算過程（f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1、g(x)=x5+x4+x2+1、m(x)=x8+x4+x3+x+1）

[[步驟\&fxl(x)\&gxr(x)\&fxm(x)\&fgxm(x)\&時(shí)鐘

（圖2（a））\&時(shí)鐘

（圖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，模乘運(yùn)算完成，fgxm(x) = x7+x5+x3+ x1為模乘的乘積\&]]

4 結(jié)束語

通過“移位”和“異或”基本邏輯實(shí)現(xiàn)有限域模乘運(yùn)算，電路規(guī)模小、運(yùn)算效率高；電路引入雙沿工作的寄存器，在系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率不變的情況下，不僅使模乘運(yùn)算的速度加倍，還可避免時(shí)鐘信號(hào)的冗余跳變，使電路的功耗大大降低。

參考文獻(xiàn)：

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集成電路工藝與設(shè)計(jì)范文第2篇

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代；光纖通信；光電集成；路集成電路；設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著國家的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人類的生活已經(jīng)離不開通信方式了，各種各樣的交流活動(dòng)都是需要通訊的傳遞的。不管我們通過何種方式、何種途徑，只要將我們想要傳遞的信息傳遞到另外一個(gè)地方，就是稱為通信。古代所傳遞信息的方式方法也是多種多樣的。但是它們相對(duì)來說特別落后，時(shí)間也會(huì)非常地久。而現(xiàn)代的通信方式中，電話通信是應(yīng)用最廣泛的一種。

1 什么是光纖通信

近幾年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電信管理體制的改革以及電信市場的全面開放，光纖通信的發(fā)展呈現(xiàn)了一番全新的景象。所謂光纖通信就是一種以光線為傳媒的通信方式，利用廣播實(shí)現(xiàn)信息的傳送。光纖通訊就是以光導(dǎo)纖維作為信號(hào)傳輸介質(zhì)的通訊系統(tǒng)。具有抗干擾性好，超高帶寬等特點(diǎn)。

如今社會(huì)我們使用的光纖通信有許多的優(yōu)點(diǎn)，例如，它可以傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，這樣一來，節(jié)約了許多資源和能源，有利于資源合理地開發(fā)和使用；絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng)；還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也可以用在特殊環(huán)境或者軍事行動(dòng)中。

光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。

隨著信息技術(shù)傳輸速度日益更新，光纖技術(shù)已得到廣泛的重視和應(yīng)用。在多微機(jī)電梯系統(tǒng)中，光纖的應(yīng)用充分滿足了大量的數(shù)據(jù)通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術(shù)在電梯上的應(yīng)用，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使電梯系統(tǒng)的并聯(lián)群控性能有了明顯提高。電梯上所使用的光纖通信裝置主要由光源、光電接收器和光纖組成。

2 集成電路的實(shí)現(xiàn)

集成工藝技術(shù)也就是在最近的一二十年取得了飛速的發(fā)展。隨著元器件尺寸大小的不斷減小，集成電路的集成速度也在不斷地提高。發(fā)展迅速的集成電路工藝技術(shù)為通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)下，利用光電集成電路實(shí)現(xiàn)的光的發(fā)射和接收裝置已經(jīng)被各個(gè)實(shí)驗(yàn)室所廣泛使用。光電集成電路在單片上集成的光和電元件越來越多了，這就是光電集成電路速度越來越快的原因。

3 光纖通信現(xiàn)狀

光纖通信技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了光纖產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。想要實(shí)現(xiàn)光發(fā)射與光電集成電路是非常容易的，但是想要實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)的混合集成是非常困難的。由于毫米波信號(hào)是狹窄的，所以可以使用混合集成工藝來實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)，我們可以這樣來設(shè)計(jì)集成電路及其組成部分，使其波段上的輸入和輸出阻抗保持在大約50歐姆左右，即使用50歐姆的傳輸線來連接元器件和集成電路。此外，例如激光驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)判決、復(fù)接、光接收放大等各種類型的模擬、數(shù)字、混合集成電路依然可以輕松實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)殡娐芬部梢栽O(shè)計(jì)成輸入輸出是50歐姆的阻抗。想要利用混合方法實(shí)現(xiàn)高速光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的真正困難所在是激光二極管和光檢測(cè)器的阻抗不是50歐姆。尤其是激光二極管，他的非線性無法進(jìn)行混合集成的。沒有合適的匹配網(wǎng)絡(luò)將基帶數(shù)據(jù)信號(hào)從激光二極管連接到驅(qū)動(dòng)器或者從光檢測(cè)器連接到前置放大器上，就會(huì)大大地降低了系統(tǒng)的操作性能。這樣相比利用光發(fā)送和光接收的集成電路來實(shí)現(xiàn)是十分簡便的。利用光集成電路實(shí)現(xiàn)光發(fā)射和接收不僅可靠性高而且成本低。但是用光電集成電路也是具有一定的挑戰(zhàn)性的，制作光元件和電子電路所需要的材料是存在一定的差別的?，F(xiàn)在制造高速光發(fā)射和接受光電集成電路在光傳輸系統(tǒng)中是十分必要的。這個(gè)設(shè)計(jì)工藝的難點(diǎn)在于要形成材料，即適合制造光電器件和電子電路所需要的制作材料，此外還要設(shè)計(jì)出光電集成電路。現(xiàn)實(shí)很殘酷，大家仍需努力。

4 光電集成電路

光發(fā)射機(jī)光電集成電路一般是由同一底上的激光二極管和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的。集成電路其中包括了電子元器件結(jié)構(gòu)的生長、激光、激光二極管、電阻器、晶體管等電子元件的制造，其中光電元件和金屬化連接是比較困難的。在外延生長的襯底上，大概需要三個(gè)工序來集成光電集成電路，分別為制作激光二極管、制作電子電路、進(jìn)行光電元件之間的連接。首先要制作激光二極管，激光二極管的P型區(qū)域歐姆接觸層通過 蒸發(fā)形成金屬狀態(tài)，隨后利用光刻法來生成激光二極管的大概區(qū)間，然后進(jìn)行濕法刻蝕形成接觸激光二極管的N區(qū)區(qū)間，最后在活性離子刻蝕體系中完成刻蝕過程，直到遇到AGAAS層后停止刻蝕過程。AGAAS層能隔離電子電路機(jī)構(gòu)和激光結(jié)構(gòu)，形成一種薄膜電阻，從而形成第一金屬層和空氣橋兩個(gè)連接層。我們通常采用空氣橋連接激光二極管的P區(qū)，采用第一金屬層連接激光二極管的N區(qū)，這樣就能很好地實(shí)現(xiàn)激光二極管和電子電路層的連接。這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子激光器的光電集成電路了。制作光電集成電路的芯片也是存在一定的難度的，目前端面反射激光鏡的干腐蝕技術(shù)尚未成熟，只能用解離的方法來完成，所以說集成激光驅(qū)動(dòng)器電路還有很大的空間有待開發(fā)。

光電集成電路分別是由光檢測(cè)器、前置放大器以及主放大器構(gòu)成的，這其中包括數(shù)據(jù)判決器、時(shí)鐘恢復(fù)和分接電路。光檢測(cè)器的集成是光電集成電路中最重要的一個(gè)部分，而金屬-半導(dǎo)體-金屬光檢測(cè)器（MSM）因?yàn)橹恍枰俨襟E的追加工藝，和如名字一般較為實(shí)惠且廣泛的材料在雪崩類型光電檢測(cè)器和p-i-n被廣泛運(yùn)用的同時(shí)也被單片集成光接收機(jī)廣泛的使用著。

在設(shè)計(jì)中第一級(jí)為基本放大單元，是共源放大電路且?guī)в性簇?fù)載，電阻的反饋由電壓并聯(lián)負(fù)反饋，電平位移級(jí)使用的是兩級(jí)源級(jí)跟隨器，它被接入到后面，與此同時(shí)，又需要引進(jìn)一個(gè)肖特基二極管，這樣就起到了一個(gè)降低反饋點(diǎn)的直流電平所特需的水平的作用，達(dá)到了這樣一個(gè)效果后，在偏低壓的條件下，電路同樣可以正常工作。

5 主要工藝流程

第一步，我們要準(zhǔn)備好充足的材料，對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)方面的設(shè)計(jì)計(jì)算，并確定材料的外延生長，來確定集成方式及集成所需要的元器件。第二步，對(duì)PD臺(tái)面進(jìn)行腐蝕，首先腐蝕掉INP層露出HEMT的帽層，把MSM保留在芯片上，即通過把PD臺(tái)面以外的PD層材料腐蝕掉來露出HEMT層。第三步就是進(jìn)行器件的隔離工作，仍然使用臺(tái)面腐蝕的辦法將HEMT和PD元器件之間隔離起來，想要實(shí)現(xiàn)比較好的隔離效果就一定要準(zhǔn)確的腐蝕到半絕緣襯底上。最后就是保護(hù)芯片的工作了，在芯片表面沉淀一層介質(zhì)，這樣不僅保護(hù)了芯片表面還成為了源漏的輔助剝離介質(zhì)。

6 結(jié)束語

光纖通信技術(shù)作為通信產(chǎn)業(yè)中的支柱，是我們現(xiàn)如今社會(huì)中使用最多的通信方式。即使在現(xiàn)在的社會(huì)當(dāng)中，光纖通信技術(shù)得到了十分穩(wěn)定有效的發(fā)展，但是現(xiàn)在科技發(fā)展如此之快，越來越多的新技術(shù)涌現(xiàn)出來，我國的通信技術(shù)水平也得到了明顯的改善與提高，光纖通信的使用范圍和價(jià)值也在悄悄地?cái)U(kuò)張。但是光纖通信技術(shù)為了迎合網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，必須有更高層次的發(fā)展，才能占據(jù)市場的主流地位。我相信隨著光通信技術(shù)更加深入地發(fā)展，光纖通信一定會(huì)對(duì)整個(gè)通信行業(yè)甚至社會(huì)的進(jìn)步起到舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)：

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集成電路工藝與設(shè)計(jì)范文第3篇

關(guān)鍵詞：多媒體；集成電路工藝；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）42-0243-02

一、引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)在微電子教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[1，2]。多媒體教學(xué)突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式信息貧乏、形式單一的限制，拓寬了學(xué)生的視野，豐富了教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的生動(dòng)性，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。[3]研究表明，合理運(yùn)用集文字、圖片、聲音、視頻于一體的多媒體教學(xué)手段，有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的眼、耳、手、大腦等感官，立體式、全方位地拓寬學(xué)生對(duì)知識(shí)的感知度，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化和吸收，從而使學(xué)生真正理解和掌握所講授的內(nèi)容。[4]多媒體教學(xué)在擴(kuò)充學(xué)生知識(shí)面、增強(qiáng)課堂生動(dòng)性、提高教學(xué)質(zhì)量和效率等方面確實(shí)產(chǎn)生了良好效果。然而，隨著多媒體教學(xué)的廣泛應(yīng)用，由于多媒體自身的缺陷，致使多媒體教學(xué)的弊病在電化教學(xué)改革過程中也逐步地呈現(xiàn)出來[5，6]。特別是在理工科課程教學(xué)改革中，盲目利用多媒體教學(xué)完全替代傳統(tǒng)教學(xué)模式，多媒體教學(xué)的不足則更加突顯。比如，理論推導(dǎo)過程過快，學(xué)生無法完全理解；課件頻繁換頁，致使學(xué)生無法掌握課程的脈絡(luò)和知識(shí)體系的構(gòu)架等等。當(dāng)然，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，多媒體教學(xué)確實(shí)存在許多優(yōu)點(diǎn)，但是一味地追求多媒體教學(xué)而忽視傳統(tǒng)教學(xué)，也會(huì)降低課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，只有揚(yáng)長避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)選擇合理的教學(xué)模式，才能達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果[7-9]。

二、多媒體在集成電路工藝教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.清晰地展現(xiàn)工藝流程。集成電路工藝是一門微電子學(xué)科重要的基礎(chǔ)課程，它涉及知識(shí)面廣、基礎(chǔ)理論抽象、工藝過程繁雜等特點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，由于缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備的支撐，很難對(duì)工藝流程清晰地理解和掌握。傳統(tǒng)“黑板加粉筆”的教學(xué)方式無法滿足實(shí)際教學(xué)的需求。利用多媒體課件教學(xué)可以將工藝流程清晰、直觀、快速地展現(xiàn)出來，結(jié)合文字、圖片和視頻等多媒體資料，能夠讓學(xué)生準(zhǔn)確地把握集成電路工藝流程中的步驟及其每個(gè)細(xì)節(jié)。

2.緩解內(nèi)容多課時(shí)少的矛盾，提高教學(xué)效率。集成電路工藝的教學(xué)過程是一個(gè)不斷提出問題（技術(shù)要求）、引導(dǎo)學(xué)生分析問題并解決問題（工藝實(shí)現(xiàn)）的過程。教師在這一過程中將花費(fèi)大量的時(shí)間去啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生在大腦中逐步完善知識(shí)間的聯(lián)系和結(jié)構(gòu)。這時(shí)，教師利用多媒體課件將本該在黑板上書寫的文字、公式、圖像直接顯示在屏幕上，有效地節(jié)約了板書的時(shí)間，在單位授課時(shí)間內(nèi)可以講授更多的內(nèi)容，從而大大擴(kuò)充了學(xué)生的知識(shí)面，緩解了集成電路工藝教學(xué)內(nèi)容多、工藝繁、學(xué)時(shí)少的矛盾。

3.直觀呈現(xiàn)微觀領(lǐng)域的變化過程。在集成電路工藝教學(xué)過程中，涉及到許多微觀領(lǐng)域中的概念、理論及其變化過程。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，由于微觀世界的抽象性，學(xué)生很難完全理解其基本理論及其演化過程。利用多媒體圖片和動(dòng)畫技術(shù)，可以把較難描述的微觀變化過程直觀、形象、生動(dòng)地展示出來，使教學(xué)過程不再是枯燥地從理論到公式的推導(dǎo)和演算，可以把理論和實(shí)踐更好地結(jié)合起來，把抽象思維和形象思維緊密地聯(lián)系起來。

總之，在集成電路工藝教學(xué)過程中，多媒體教學(xué)手段只要運(yùn)用得當(dāng)，既能吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也能調(diào)動(dòng)學(xué)生各種感官參與學(xué)習(xí)，加速感知、理解和記憶，收到事半功倍的效果。

三、多媒體在集成電路工藝教學(xué)中存在的問題

1.盲目利用多媒體替代板書講授理論演算過程。多媒體課件前一屏幕上的內(nèi)容總是隨著幻燈片的翻頁而消失，它與傳統(tǒng)教學(xué)中的板書不同，不能長時(shí)間保留教學(xué)所需要的內(nèi)容。在集成電路工藝教學(xué)中涉及到許多理論的推導(dǎo)和演算，這些過程在一張幻燈片中很難完成，需要多張幻燈片的切換。隨著幻燈片的翻頁，一些定理定律的意義或前期推導(dǎo)結(jié)果在學(xué)生記憶中也隨之淡忘，這就造成了學(xué)生在思維連續(xù)性和遷移性上產(chǎn)生一定的障礙，嚴(yán)重影響了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中整體概念的形成，影響了整個(gè)知識(shí)體系的構(gòu)建。

2.過分渲染視聽效果分散學(xué)生的注意力。為了吸引學(xué)生的注意力，避免教學(xué)內(nèi)容的抽象和枯燥，刻意在課件中增加了許多音效和動(dòng)畫效果等，就會(huì)造成學(xué)生在上課的時(shí)候只專注于那些動(dòng)畫和音樂，而忽略了專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，這樣不但達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)反而影響整體教學(xué)質(zhì)量。

3.課件制作粗糙。課件內(nèi)容本來應(yīng)該是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容的集中體現(xiàn)，然而，有些教師為了簡便，在課件制作過程中，課件內(nèi)容只是書本的翻版，甚至直接拿來使用別人的課件。這樣教師將無法主動(dòng)、準(zhǔn)確地把握教學(xué)內(nèi)容，只是書本內(nèi)容的重復(fù)，從而學(xué)生根本找不到教學(xué)重點(diǎn)，正如學(xué)生所說的“想記筆記，但滿屏都是字，不知道該記哪些內(nèi)容?！?/p>

4.忽視了與學(xué)生的互動(dòng)。利用多媒體教學(xué)，教師的肢體語言變少，課堂教學(xué)的互動(dòng)性與感染力沒有傳統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)，而且由于教學(xué)內(nèi)容的增多，講課速度變快，學(xué)生一旦走神就很難與后面的知識(shí)合理地銜接。教學(xué)過程本來應(yīng)該是師生之間一種情感的交流過程，但是隨著多媒體教學(xué)的盲目應(yīng)用，教師和學(xué)生的注意力主要集中在課件中，從而忽視了這種目光的交流，一旦學(xué)生疲憊，很難達(dá)到較高的教學(xué)質(zhì)量。

四、在集成電路工藝教學(xué)中合理運(yùn)用多媒體的幾點(diǎn)建議

1.合理安排教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的關(guān)系。由于不同的學(xué)科具有不同的學(xué)科特點(diǎn)，并不是所有學(xué)科都適用于用多媒體取代傳統(tǒng)教學(xué)模式，特別是對(duì)于理工科課程。針對(duì)集成電路工藝這門課程，重點(diǎn)內(nèi)容主要集中在工藝的基本原理、工藝流程上，其中涉及到的理論推導(dǎo)過程不適宜使用多媒體教學(xué)講授。原因在于其理論推導(dǎo)過程較為繁雜，學(xué)生不可能一蹴而就，做到在短時(shí)間內(nèi)完全理解，因此，最好使用板書來演示。這種做法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在教師在書寫板書的過程中，學(xué)生會(huì)有充足的時(shí)間去理解和吸收其中的原理、方法以及思想。此外，為了使授課中集成電路工藝流程呈現(xiàn)出嚴(yán)密的邏輯性和完整性，教師最好把主要內(nèi)容提綱挈領(lǐng)地寫在黑板上，而不是隨著幻燈片的切換而消失，這樣可以使學(xué)生在整個(gè)課堂的教學(xué)過程中，通過視覺的感知反復(fù)復(fù)習(xí)、記憶，理解整個(gè)工藝流程。

2.處理好多媒體課件與教師間的關(guān)系。表面上，多媒體課件與教師間的關(guān)系是很容易處理的關(guān)系，教師是主導(dǎo)，多媒體課件是輔助。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中，教師經(jīng)常顛倒了這樣的主次關(guān)系，把自己當(dāng)成解說員或朗誦者，甚至按照屏幕上的內(nèi)容念一遍，這樣就會(huì)把課件變成課堂的主體，自己成為輔助工具，從而大大降低課堂的教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)過程本質(zhì)上應(yīng)該是把多媒體課件作為一種教學(xué)的輔助工具，教師充滿激情的講授、與學(xué)生的互動(dòng)以及黑板上的書寫等形式作為課堂教學(xué)的主要形式。

3.處理好師生的互動(dòng)關(guān)系，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。教師在教學(xué)過程中要注意學(xué)生的信息反饋，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，從而調(diào)整安排課程的進(jìn)度。在使用多媒體教學(xué)的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)教師的注意力過于集中在課件上，從而忽略了學(xué)生的反應(yīng)，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)隨著幻燈片的切換，學(xué)生會(huì)對(duì)上一頁幻燈片中的知識(shí)腦海中呈現(xiàn)空白，表現(xiàn)為茫然或不解的現(xiàn)象。這時(shí)教師應(yīng)該注意觀察學(xué)生的面部表情，也可以使用詢問或提問的形式了解學(xué)生的知識(shí)掌握程度，再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整預(yù)先安排的進(jìn)度，不要盲目按備課進(jìn)度一直進(jìn)行下去而不管學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，教師應(yīng)該運(yùn)用各種方法和技術(shù)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)索求，進(jìn)而收到良好的教學(xué)效果。

五、結(jié)論

多媒體技術(shù)作為教學(xué)方式中的一種輔助工具，它彌補(bǔ)和完善了“黑板加粉筆”傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，利用多媒體輔助教學(xué)可以增加課堂教學(xué)的生動(dòng)性，使學(xué)生保持高度的興奮，思維積極活躍，有利于提高課堂教學(xué)效果。然而多媒體技術(shù)也是一把雙刃劍，如果盲目過多地濫用多媒體教學(xué)也會(huì)產(chǎn)生不利的后果。更重要的還是應(yīng)該遵循課程自身的特點(diǎn)，認(rèn)真分析教學(xué)內(nèi)容是否適合于多媒體教學(xué)，應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用多媒體，才能真正發(fā)揮多媒體的功能，起好輔助課堂教學(xué)的作用。

參考文獻(xiàn)：

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集成電路工藝與設(shè)計(jì)范文第4篇

【關(guān)鍵詞】電子信息科學(xué)與技術(shù)微電子課程體系建設(shè)教學(xué)改革

【基金項(xiàng)目】大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)改革（項(xiàng)目編號(hào)：2016Z03）；大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目：面向2017級(jí)培養(yǎng)方案的《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系研究與設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：2016Y21）。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》的意義

目前，高速發(fā)展的集成電路技術(shù)產(chǎn)業(yè)使集成電路設(shè)計(jì)人才成為最搶手的人才，掌握微電子技術(shù)是IC設(shè)計(jì)人才的重要基本技能之一。本文希望通過對(duì)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)體系的研究與設(shè)計(jì)，能夠提高學(xué)生對(duì)集成電路制作工藝的認(rèn)識(shí)，提高從事微電子行業(yè)的興趣，拓寬知識(shí)面和就業(yè)渠道，從而培養(yǎng)更多的微電子發(fā)展的綜合人才，促進(jìn)我國微電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平的提高。

2.目前學(xué)科存在的問題

目前電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的集成電路方向開設(shè)的課程已有低頻電子線路、數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、集成電路設(shè)計(jì)原理等。雖然課程開設(shè)種類較多，但課程體系不夠完善。由于現(xiàn)在學(xué)科重心在電路設(shè)計(jì)上，缺少對(duì)于器件的微觀結(jié)構(gòu)、材料特性講解[1]，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中不能夠完全理解。比如MOS管，雖然學(xué)生們學(xué)過其基本特性，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)他們對(duì)N溝道和P溝道的工作原理知之甚少。

近來學(xué)校正在進(jìn)行本科學(xué)生培養(yǎng)的綜合改革，在制定集成電路方向課程體系時(shí)，課題組成員對(duì)部分學(xué)校的相關(guān)專業(yè)展開調(diào)研。我們發(fā)現(xiàn)大部分擁有電子信息類專業(yè)的高校都開設(shè)了微電子課程。譬如華中科技大學(xué)設(shè)置了固體電子學(xué)基礎(chǔ)、微電子器件與IC設(shè)計(jì)、微電子工藝學(xué)以及電子材料物理等課程。[2]又如電子科技大學(xué)設(shè)置了固體物理、微電子技術(shù)學(xué)科前沿、半導(dǎo)體光電器件以及高級(jí)微電子技術(shù)等課程。[3]因此學(xué)科課題組決定在面向2017級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程培養(yǎng)方案中，集成電路設(shè)計(jì)方向在原有的《集成電路設(shè)計(jì)原理》、《集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用》基礎(chǔ)上，新增設(shè)《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程。本課程希望學(xué)生通過掌握微電子技術(shù)的原理、工藝和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)和工程開發(fā)打下基礎(chǔ)。

3.微電子課程設(shè)置

出于對(duì)整體課程體系的考慮，微電子課程總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)。課程呈現(xiàn)了微電子技術(shù)的基本概論、半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)、集成電路的制造工藝及封裝測(cè)試等內(nèi)容。[4]如表1所示，為課程的教學(xué)大綱。

微電子技術(shù)的基本概論是本課程的入門。通過第一章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)本課程有初步的認(rèn)識(shí)。

構(gòu)成集成電路的核心是半導(dǎo)體器件，理解半導(dǎo)體器件的基本原理是理解集成電路特性的重要基礎(chǔ)。為此，第二章重點(diǎn)介紹當(dāng)代集成電路中的主要半導(dǎo)體器件，包括PN結(jié)、雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）等器件的工作原理與特性。要求學(xué)生掌握基本的微電子器件設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，具備分析微電子器件性能和利用半導(dǎo)體物理學(xué)等基本原理解決問題的能力。

第三章介紹硅平面工藝的基本原理、工藝方法，同時(shí)簡要介紹微電子技術(shù)不斷發(fā)展對(duì)工藝技術(shù)提出的新要求。內(nèi)容部分以集成電路發(fā)展的順序展開，向?qū)W生展示各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限，以此來培養(yǎng)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

第四章圍繞芯片單片制造工藝以外的技術(shù)展開，涵蓋著工藝集成技術(shù)、封裝與測(cè)試以及集成電路工藝設(shè)計(jì)流程，使學(xué)生對(duì)微電子工藝的全貌有所了解。

4.教學(xué)模式

目前大部分高校的微電子課程仍沿用傳統(tǒng)落后的教學(xué)模式，即以教師灌輸理論知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主。這種模式在一定程度上限制了學(xué)生主動(dòng)思考和自覺實(shí)踐的能力，降低學(xué)習(xí)興趣，與本課程授課的初衷相違背。[5]為避免上述問題，本文從以下幾個(gè)方面闡述了《微電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)模式。

教學(xué)內(nèi)容：本課程理論知識(shí)點(diǎn)多數(shù)都難以理解且枯燥乏味，僅靠書本教學(xué)學(xué)生會(huì)十分吃力。因此，我們制作多媒體課件來輔助教學(xué)，將知識(shí)點(diǎn)采用動(dòng)畫的形式來展現(xiàn)。例如可通過動(dòng)畫了解PN結(jié)內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)情況、PN結(jié)的摻雜工藝以及其制造技術(shù)。同時(shí)課件中補(bǔ)充了工藝集成與分裝測(cè)試這部分內(nèi)容，加強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際生產(chǎn)、科研的聯(lián)系，便于學(xué)生掌握集成電路工藝設(shè)計(jì)流程。

教學(xué)形式：課內(nèi)理論教學(xué)+課外拓展。

1）課內(nèi)教學(xué)：理論講解仍需教師向?qū)W生講述基本原理，但是在理解運(yùn)用方面采用啟發(fā)式教學(xué)，課堂上增加教師提問并提供學(xué)生上臺(tái)演示的機(jī)會(huì)，達(dá)到師生互動(dòng)的目的。依托學(xué)校BBS平臺(tái)，初步建立課程的教學(xué)課件講義、課后習(xí)題及思考題和課外拓展資料的體系，以方便學(xué)生進(jìn)行課后的鞏固與深度學(xué)習(xí)。此外，利用微信或QQ群，在線上定期進(jìn)行答疑，并反饋課堂學(xué)習(xí)的效果，利于老師不斷調(diào)整教學(xué)方法和課程進(jìn)度。還可充分利用微信公眾號(hào)，譬如在課前預(yù)習(xí)指南，幫助學(xué)生做好課堂準(zhǔn)備工作。

2）課外拓展：本課程目標(biāo)是培養(yǎng)具有電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)科理論基礎(chǔ)，且有能力將理論付諸實(shí)踐的高素質(zhì)人才。平時(shí)學(xué)生很難直接觀察到半導(dǎo)體器件、集成電路的模型及它們的封裝制造流程，因此課題組計(jì)劃在課余時(shí)間組織同學(xué)參觀實(shí)驗(yàn)室或當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)企業(yè)，使教學(xué)過程更為直觀，加深學(xué)生對(duì)制造工藝的理解。此外，教師需要充分利用現(xiàn)有的資源（譬如與課程有關(guān)的科研項(xiàng)目），鼓勵(lì)學(xué)生參與和探究。

考核方式：一般來說，傳統(tǒng)的微電子課程考核強(qiáng)調(diào)教學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià)，而本課程組希望考核結(jié)果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教學(xué)進(jìn)度中的考核。課題組決定采用期末筆試考核與平時(shí)課堂表現(xiàn)相結(jié)合的方式，期末筆試成績由學(xué)生在期末考試中所得的卷面成績按照一定比例折合而成，平時(shí)成績考評(píng)方式有隨堂小測(cè)、課后習(xí)題、小組作業(yè)等。這幾種方式將考核過程融入教學(xué)，能有效地協(xié)助老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)狀況以及學(xué)習(xí)能力做出準(zhǔn)確評(píng)定。

5.結(jié)語

集成電路工藝與設(shè)計(jì)范文第5篇

數(shù)字集成電路低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在集成電路領(lǐng)域當(dāng)中，數(shù)字集成電路的增長速度飛快，在各種新技術(shù)的應(yīng)用之下，集成電路系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度也有了很大的提升。對(duì)著移動(dòng)設(shè)備、便攜設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字集成電路面臨著越來越嚴(yán)峻的功耗問題。因此，在數(shù)字集成電路的未來發(fā)展當(dāng)中，低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)，在數(shù)字集成電路的工藝制造、電路設(shè)計(jì)等方面，都發(fā)揮著巨大的作用。

一、低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)

對(duì)于可移動(dòng)、便攜式的數(shù)字系統(tǒng)來說，功耗具有很大的作用。因此在設(shè)計(jì)數(shù)字電路的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)分析其功耗問題。在設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路的過程中，要對(duì)功耗、面積、性能等加以考慮。而在這些方面，存在著相互關(guān)聯(lián)和約束的關(guān)系。因此，在對(duì)數(shù)字電路性能加以滿足的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體來說，應(yīng)當(dāng)平衡性能、面積、功耗方面的關(guān)系，防止發(fā)生浪費(fèi)的情況。對(duì)專用集成電路進(jìn)行高效應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)工藝和器件進(jìn)行改進(jìn)。

二、數(shù)字集成電路的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、門級(jí)

在數(shù)字集成電路的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)中，門級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)具有較為重要的作用，其中包含著很多不同的技術(shù)，例如路徑平衡、時(shí)許調(diào)整、管腳置換、們尺寸優(yōu)化、公因子提取、單元映射等。其中，單元映射是在設(shè)計(jì)電路中，在邏輯單元、門級(jí)網(wǎng)表之間，進(jìn)行合理的布局布線。公因子提取法能夠?qū)壿嬌疃冗M(jìn)行降低、對(duì)電路翻轉(zhuǎn)進(jìn)行減小、對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化從而降低功耗。路徑平衡則是針對(duì)不同路徑的延遲時(shí)間，對(duì)其進(jìn)行改變，從而降低功耗。

2、系統(tǒng)級(jí)

系統(tǒng)級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要包括了軟硬件劃分、功耗管理、指令優(yōu)化等技術(shù)。其中，軟硬件劃分主要是對(duì)硬件和軟件在抽象描述的監(jiān)督，對(duì)其電路邏輯功能加以實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)方案的綜合對(duì)比，選擇低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。功耗管理是針對(duì)電路設(shè)計(jì)不同的工作模式，將空閑模塊掛起，從而降低功耗。而指令優(yōu)化則包含指令壓縮、指令編碼優(yōu)化、指令集提取等，通過對(duì)讀取速度、密度的提升，使功耗得到降低。

3、版圖級(jí)

在版圖級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要對(duì)互聯(lián)、器件等同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)著集成電路工藝的發(fā)展，器件尺寸的減小，功耗也就自然降低。同時(shí)由于具有更快的開關(guān)速度，因此可以根基不同情況，在電路設(shè)計(jì)中選擇合適的器件進(jìn)行優(yōu)化。而對(duì)于系統(tǒng)來說，互聯(lián)作為連接器件的導(dǎo)線，對(duì)于系統(tǒng)性能也有著很大的影響。在信號(hào)布線的過程中，可以增加關(guān)鍵、時(shí)鐘、地、電源等信號(hào)以及高活動(dòng)性信號(hào)的橫截面，從而降低功耗和延時(shí)。

4、算法級(jí)

在算法級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要對(duì)速度、面積、功耗等約束條件加以考慮，從而對(duì)電路體系編碼、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化。在通常情況下，為了提升電路質(zhì)量、降低電路功耗，會(huì)采用提高速度、增加面積等方法來實(shí)現(xiàn)。算法級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)與門級(jí)、寄存器傳輸級(jí)不同，這兩者都是對(duì)電路的基本結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行確定，然后對(duì)電路結(jié)構(gòu)再進(jìn)行低功耗優(yōu)化調(diào)整。在算法級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要包括并行結(jié)構(gòu)、流水線、總線編碼、預(yù)計(jì)算等技術(shù)。

5、電路級(jí)

在電路級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)中，NMOS管陣列構(gòu)成的PDN完成了邏輯功能，其中只需要少量額晶體管，具有較快的開關(guān)速度，同時(shí)由于具有較低的負(fù)載電容，不存在短路電流。在電源與第之間，沒有電流通路，因此不會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)功耗，對(duì)于總體功耗的降低有著很大的幫助。同時(shí)，在應(yīng)用的異步電路當(dāng)中，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)才會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而避免了輸入信號(hào)之間的競爭冒險(xiǎn)，也避免了功耗浪費(fèi)。

6、工藝級(jí)

在工藝級(jí)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要包括按比例縮小、封裝等技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)擁有了更高的集成度，器件尺寸得以減小、電容得以降低，在芯片之間，通信量也有所下降，因此功耗也能夠得到有效的控制。其中主要包括了互連線、晶體管的按比例縮小。芯片應(yīng)當(dāng)進(jìn)行封裝，充分與外界相隔離，從而避免外界雜質(zhì)造成腐蝕，降低其電氣性能。而在封裝過程中，對(duì)于芯片功耗有著很大的影響。通過合理的進(jìn)行封裝，能夠更好的進(jìn)行散熱，從而是功耗得到降低。

7、寄存器傳輸級(jí)

在設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路的過程中，寄存器傳輸級(jí)是一種同步數(shù)字電路的抽象模型，根據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器、總線、組合邏輯裝置等邏輯單元之間數(shù)字信號(hào)的流動(dòng)所建立的。在當(dāng)前的數(shù)字設(shè)計(jì)中，工作流程是寄存器傳輸級(jí)上的主要設(shè)計(jì)，根據(jù)寄存器傳輸級(jí)的描述，邏輯綜合工具對(duì)低級(jí)別的電路描述進(jìn)行構(gòu)建。在寄存器傳輸級(jí)的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要包括了門控時(shí)鐘、存儲(chǔ)器分塊訪問、操作數(shù)隔離、操作數(shù)變形、寄存器傳輸級(jí)代碼優(yōu)化等方法。

隨著科技的不斷發(fā)展，在當(dāng)前社會(huì)中，越來越多的移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備出現(xiàn)在人們的生活中，因此，數(shù)字集成電路也正在得到更加廣泛的應(yīng)用。而在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，功耗問題始終是一個(gè)較為重點(diǎn)的問題，因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)字集成電路進(jìn)行低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低電路功耗，提升電路效率。

參考文獻(xiàn)：

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