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關鍵詞: 有限域; 模乘; 模2運算; 硬件設計
中圖分類號:TP309 文獻標識碼:A 文章編號: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,被廣泛應用于信息技術的各個方面,如智能卡、手機銀行、無線局域網和傳感網等便攜式設備中。因此設計快速、低功耗的硬件加密模塊至關重要。加密算法基于有限域的運算,而模乘運算是有限域運算的核心運算之一,其運算速度對加密算法的實現起著重要作用,其功耗的高低會直接影響使用性能。
模乘運算是基于有限域的多項式乘法的模運算,一般通過移位和模2加運算代替多項式乘法和除法運算。文獻[1-5]從算法的角度對如何提高模乘運算效率進行了討論。本文分析了模乘運算的原理與特點,綜合軟硬件知識設計了一種小規模、快速、低功耗的模乘運算電路模乘電路使用Verilog HDL設計,在Quartus II開發軟件中仿真,通過FPGA實現。電路引入雙沿工作的寄存器,在系統工作時鐘頻率不變的情況下,不僅使模乘運算的速度加倍,還可使電路的功耗大大降低。
1 模乘算法
有限域GF(2n)上二進制多項式系數運算以2為模,運算時不考慮進位和借位。模2加減是按位執行“異或”運算,模2乘除則采用模2加減計算部分積和部分余數。若被乘數f(x)、乘數g(x)、模m(x)多項式定義如式⑴⑵⑶所示:
則有限域GF(2n)上模乘運算如公式⑷[6]所示。
若直接根據公式⑷在GF(2n)上執行多項模乘運算,需要用到多項式乘法和除法運算,時間開銷較大,也難以用軟件硬件實現[7-8],因此我們將式⑷變換為式⑸[6]:
式⑸表明:xi×g(x)多項式模乘運算可以重復使用i次式⑸來實現。這樣一來,在有限域GF(2n)上,式(4)定義的多項式模乘運算可以直接使用兩個n位的二進制整數相乘,并通過多個中間結果作移位和模2加來實現。
2 模乘運算器電路設計與實現
2.1 電路設計
基于式⑸的模乘運算器的電路結構如圖1所示。加電后電路按如下時序工作:
第一步,當Clr端收到負脈沖“ ”時,fxl、gxr和fgxm寄存器異步裝入初值(如圖1所示)。
第二步,當寄存器fxl的最高位為“1”,fxl mx fxm,實現模乘運算;否則fxlfxm。當寄存器gxr的最低位為1時,fgxm fxmfxm1;否則fgxmfxm1。
第三步,在時鐘信號的作用下,電路同時完成如下三項工作:一是將fxm1存入fgxm寄存器;二是將fxm左移一位(低位補“0”)存入fxl寄存器;三是將gxr寄存器內容右移一位(高位補“0”)。重復第二、三步直到gxr寄存器為全“0”時,運算結束。fgxm寄存器的內容為所需的多項式模乘運算的乘積,通過fgx輸出。
圖1 模乘運算器電路結構示意圖
模乘運算電路的規模取決于所采用的控制電路的規模。在圖1中,將模運算(fxm)和左移操作合二為一,減少了電路的運算步驟與工作延時;利用乘數寄存器gxr右移時空出的高位補“0”,當gxr寄存器的值為全“0”時完成一次模乘運算。這樣設計,一方面不需要額外增加控制電路,減少了模乘運算器電路的規模;另一方面加速了運算過程,完成一次模乘運算平均只需n/2個時鐘邊沿信號。
2.2 快速低功耗設計
模乘運算器的主要邏輯部件之一是寄存器,時鐘信號是寄存器必備的輸入信號之一。傳統的寄存器僅對時鐘的上升沿或下降沿敏感,十個單邊沿觸發器[9],在另一方向上的時鐘跳變成為一種冗余跳變,所對應的功耗也是多余的。如果能對時鐘信號的兩個邊沿都能敏感,不僅可以降低電路的功耗,還可以使模乘運算器的運算速度加倍,從而提高系統的效率。依據文獻[10]的設計思想和主從觸發器的工作原理,我們利用“與非“門”組成雙沿觸發器的寄存器并用于模乘運算器器電路中(如圖1中的fxl、gxr和fgxm寄存器),使模乘運算速度加倍、功耗減半。兩種模乘運算器的工作波形如圖2所示。
由圖2可知,相對于單邊沿寄存器組成的模乘運算器而言,在相同頻率時鐘的作用下,雙邊沿寄存器組成的模乘運算器運算速度加倍,同時避免了時鐘冗余跳變,從而大幅降低了模乘運算器電路的功耗。
(a) 單邊沿模乘運算器波形圖
(b) 雙邊沿模乘運算器波形圖
圖2 單、雙邊沿乘法器時序對比圖
3 仿真波形與實例分析
我們應用Verilog HDL語言設計基于有限域高速、低功耗的模乘運算器電路模型,并用Visual FoxPro語言進行了軟件驗證,證明所有運算結果完全正確。選擇EP2C5Q208CN芯片,在Quartus II開發工具中配置、綜合和優化后通過Quartus II中的Programmer工具下載到芯片中,可以快速穩定地實現模乘運算操作且占用面積小,達到預期設計目標。
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為模的多項式模乘運算仿真波形;模乘運算過程如表1所示。
在有限域中,每個多項式都可以表示為二進制整數,反之亦然,也就是說m(x)=x8+x4+x3+x+1等價于二進制數100011011B或十六進制數11BH,f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH、g(x)=x5+x4+x2+1=35H。圖2中的各數值為相應多項式系數的十六進制表示。
由表1可知,計算步驟1、2在單邊沿模乘運算器中需要使用T1和T2兩個時鐘的上升沿,而在雙邊沿模乘運算器中只需要使用一個時鐘T1的上升沿和下降沿完成,這不僅加速了運算過程,同時也減少了時鐘的冗余跳變,降低了功耗。
表1中計算步驟1為初始化操作。計算步驟2中,首先因gxr(x)=x5+x4+x2+1=35H多項式系數的第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)多項式系數的最高位為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算準備好數據;重復上述操作,直到多項式gxr(x)=0,通過finsh輸出正脈沖“ ”,表示完成一次模乘運算,運算結果通過fgx輸出。
表1 模乘運算過程(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)\&時鐘
(圖2(a))\&時鐘
(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,模乘運算完成,fgxm(x) = x7+x5+x3+ x1為模乘的乘積\&]]
4 結束語
通過“移位”和“異或”基本邏輯實現有限域模乘運算,電路規模小、運算效率高;電路引入雙沿工作的寄存器,在系統工作時鐘頻率不變的情況下,不僅使模乘運算的速度加倍,還可避免時鐘信號的冗余跳變,使電路的功耗大大降低。
參考文獻:
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關鍵詞:現代;光纖通信;光電集成;路集成電路;設計分析
中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號: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
隨著國家的發展,社會的進步,人類的生活已經離不開通信方式了,各種各樣的交流活動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。但是它們相對來說特別落后,時間也會非常地久。而現代的通信方式中,電話通信是應用最廣泛的一種。
1 什么是光纖通信
近幾年來,隨著技術的進步,電信管理體制的改革以及電信市場的全面開放,光纖通信的發展呈現了一番全新的景象。所謂光纖通信就是一種以光線為傳媒的通信方式,利用廣播實現信息的傳送。光纖通訊就是以光導纖維作為信號傳輸介質的通訊系統。具有抗干擾性好,超高帶寬等特點。
如今社會我們使用的光纖通信有許多的優點,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、重量輕,原料為石英,節省金屬材料,這樣一來,節約了許多資源和能源,有利于資源合理地開發和使用;絕緣、抗電磁干擾性能強;還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優點,同時它也可以用在特殊環境或者軍事行動中。
光纖通信的原理是:在發送端首先要把傳送的信息變成電信號,然后調制到激光器發出的激光束上,使光的強度隨電信號的幅度變化而變化,并通過光纖發送出去;在接收端,檢測器收到光信號后把它變換成電信號,經解調后恢復原信息。
隨著信息技術傳輸速度日益更新,光纖技術已得到廣泛的重視和應用。在多微機電梯系統中,光纖的應用充分滿足了大量的數據通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術在電梯上的應用,大大提高了整個控制系統的反應速度,使電梯系統的并聯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 集成電路的實現
集成工藝技術也就是在最近的一二十年取得了飛速的發展。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。發展迅速的集成電路工藝技術為通信系統的發展奠定了堅實的基礎。當下,利用光電集成電路實現的光的發射和接收裝置已經被各個實驗室所廣泛使用。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 光纖通信現狀
光纖通信技術的發展帶動了光纖產業的進步。想要實現光發射與光電集成電路是非常容易的,但是想要實現高速系統的混合集成是非常困難的。由于毫米波信號是狹窄的,所以可以使用混合集成工藝來實現毫米波系統,我們可以這樣來設計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,例如激光驅動、時鐘恢復、數據判決、復接、光接收放大等各種類型的模擬、數字、混合集成電路依然可以輕松實現,這是因為電路也可以設計成輸入輸出是50歐姆的阻抗。想要利用混合方法實現高速光發射機與接收機的真正困難所在是激光二極管和光檢測器的阻抗不是50歐姆。尤其是激光二極管,他的非線性無法進行混合集成的。沒有合適的匹配網絡將基帶數據信號從激光二極管連接到驅動器或者從光檢測器連接到前置放大器上,就會大大地降低了系統的操作性能。這樣相比利用光發送和光接收的集成電路來實現是十分簡便的。利用光集成電路實現光發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。現在制造高速光發射和接受光電集成電路在光傳輸系統中是十分必要的。這個設計工藝的難點在于要形成材料,即適合制造光電器件和電子電路所需要的制作材料,此外還要設計出光電集成電路。現實很殘酷,大家仍需努力。
4 光電集成電路
光發射機光電集成電路一般是由同一底上的激光二極管和驅動電路構成的。集成電路其中包括了電子元器件結構的生長、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型區域歐姆接觸層通過 蒸發形成金屬狀態,隨后利用光刻法來生成激光二極管的大概區間,然后進行濕法刻蝕形成接觸激光二極管的N區區間,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構和激光結構,形成一種薄膜電阻,從而形成第一金屬層和空氣橋兩個連接層。我們通常采用空氣橋連接激光二極管的P區,采用第一金屬層連接激光二極管的N區,這樣就能很好地實現激光二極管和電子電路層的連接。這就實現了一個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尚未成熟,只能用解離的方法來完成,所以說集成激光驅動器電路還有很大的空間有待開發。
光電集成電路分別是由光檢測器、前置放大器以及主放大器構成的,這其中包括數據判決器、時鐘恢復和分接電路。光檢測器的集成是光電集成電路中最重要的一個部分,而金屬-半導體-金屬光檢測器(MSM)因為只需要少步驟的追加工藝,和如名字一般較為實惠且廣泛的材料在雪崩類型光電檢測器和p-i-n被廣泛運用的同時也被單片集成光接收機廣泛的使用著。
在設計中第一級為基本放大單元,是共源放大電路且帶有源負載,電阻的反饋由電壓并聯負反饋,電平位移級使用的是兩級源級跟隨器,它被接入到后面,與此同時,又需要引進一個肖特基二極管,這樣就起到了一個降低反饋點的直流電平所特需的水平的作用,達到了這樣一個效果后,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,我們要準備好充足的材料,對材料進行結構和參數方面的設計計算,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PD臺面進行腐蝕,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臺面以外的PD層材料腐蝕掉來露出HEMT層。第三步就是進行器件的隔離工作,仍然使用臺面腐蝕的辦法將HEMT和PD元器件之間隔離起來,想要實現比較好的隔離效果就一定要準確的腐蝕到半絕緣襯底上。最后就是保護芯片的工作了,在芯片表面沉淀一層介質,這樣不僅保護了芯片表面還成為了源漏的輔助剝離介質。
6 結束語
光纖通信技術作為通信產業中的支柱,是我們現如今社會中使用最多的通信方式。即使在現在的社會當中,光纖通信技術得到了十分穩定有效的發展,但是現在科技發展如此之快,越來越多的新技術涌現出來,我國的通信技術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值也在悄悄地擴張。但是光纖通信技術為了迎合網絡時代,必須有更高層次的發展,才能占據市場的主流地位。我相信隨著光通信技術更加深入地發展,光纖通信一定會對整個通信行業甚至社會的進步起到舉足輕重的作用。
參考文獻:
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關鍵詞:多媒體;集成電路工藝;教學
中圖分類號:G642.1 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)42-0243-02
一、引言
近年來,隨著計算機技術的飛速發展,多媒體技術在微電子教學領域的應用也越來越廣泛[1,2]。多媒體教學突破了傳統教學模式信息貧乏、形式單一的限制,拓寬了學生的視野,豐富了教學內容,增強了課堂教學的生動性,提高了課堂教學質量。[3]研究表明,合理運用集文字、圖片、聲音、視頻于一體的多媒體教學手段,有利于充分調動學生的眼、耳、手、大腦等感官,立體式、全方位地拓寬學生對知識的感知度,進而提高學生對知識的消化和吸收,從而使學生真正理解和掌握所講授的內容。[4]多媒體教學在擴充學生知識面、增強課堂生動性、提高教學質量和效率等方面確實產生了良好效果。然而,隨著多媒體教學的廣泛應用,由于多媒體自身的缺陷,致使多媒體教學的弊病在電化教學改革過程中也逐步地呈現出來[5,6]。特別是在理工科課程教學改革中,盲目利用多媒體教學完全替代傳統教學模式,多媒體教學的不足則更加突顯。比如,理論推導過程過快,學生無法完全理解;課件頻繁換頁,致使學生無法掌握課程的脈絡和知識體系的構架等等。當然,與傳統教學模式相比,多媒體教學確實存在許多優點,但是一味地追求多媒體教學而忽視傳統教學,也會降低課程的教學質量。因此,只有揚長避短、優勢互補,根據不同的教學內容和目標選擇合理的教學模式,才能達到事半功倍的教學效果[7-9]。
二、多媒體在集成電路工藝教學中的優勢
1.清晰地展現工藝流程。集成電路工藝是一門微電子學科重要的基礎課程,它涉及知識面廣、基礎理論抽象、工藝過程繁雜等特點。學生在學習的過程中,由于缺乏實驗設備的支撐,很難對工藝流程清晰地理解和掌握。傳統“黑板加粉筆”的教學方式無法滿足實際教學的需求。利用多媒體課件教學可以將工藝流程清晰、直觀、快速地展現出來,結合文字、圖片和視頻等多媒體資料,能夠讓學生準確地把握集成電路工藝流程中的步驟及其每個細節。
2.緩解內容多課時少的矛盾,提高教學效率。集成電路工藝的教學過程是一個不斷提出問題(技術要求)、引導學生分析問題并解決問題(工藝實現)的過程。教師在這一過程中將花費大量的時間去啟發學生,讓學生在大腦中逐步完善知識間的聯系和結構。這時,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,有效地節約了板書的時間,在單位授課時間內可以講授更多的內容,從而大大擴充了學生的知識面,緩解了集成電路工藝教學內容多、工藝繁、學時少的矛盾。
3.直觀呈現微觀領域的變化過程。在集成電路工藝教學過程中,涉及到許多微觀領域中的概念、理論及其變化過程。在傳統教學模式中,由于微觀世界的抽象性,學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畫技術,可以把較難描述的微觀變化過程直觀、形象、生動地展示出來,使教學過程不再是枯燥地從理論到公式的推導和演算,可以把理論和實踐更好地結合起來,把抽象思維和形象思維緊密地聯系起來。
總之,在集成電路工藝教學過程中,多媒體教學手段只要運用得當,既能吸引學生注意力,激發學習興趣,也能調動學生各種感官參與學習,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容總是隨著幻燈片的翻頁而消失,它與傳統教學中的板書不同,不能長時間保留教學所需要的內容。在集成電路工藝教學中涉及到許多理論的推導和演算,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結果在學生記憶中也隨之淡忘,這就造成了學生在思維連續性和遷移性上產生一定的障礙,嚴重影響了學生在學習過程中整體概念的形成,影響了整個知識體系的構建。
2.過分渲染視聽效果分散學生的注意力。為了吸引學生的注意力,避免教學內容的抽象和枯燥,刻意在課件中增加了許多音效和動畫效果等,就會造成學生在上課的時候只專注于那些動畫和音樂,而忽略了專業知識的學習,這樣不但達不到預期的教學目標反而影響整體教學質量。
3.課件制作粗糙。課件內容本來應該是教學重點和難點內容的集中體現,然而,有些教師為了簡便,在課件制作過程中,課件內容只是書本的翻版,甚至直接拿來使用別人的課件。這樣教師將無法主動、準確地把握教學內容,只是書本內容的重復,從而學生根本找不到教學重點,正如學生所說的“想記筆記,但滿屏都是字,不知道該記哪些內容。”
4.忽視了與學生的互動。利用多媒體教學,教師的肢體語言變少,課堂教學的互動性與感染力沒有傳統教學強,而且由于教學內容的增多,講課速度變快,學生一旦走神就很難與后面的知識合理地銜接。教學過程本來應該是師生之間一種情感的交流過程,但是隨著多媒體教學的盲目應用,教師和學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,一旦學生疲憊,很難達到較高的教學質量。
四、在集成電路工藝教學中合理運用多媒體的幾點建議
1.合理安排教學內容與教學模式的關系。由于不同的學科具有不同的學科特點,并不是所有學科都適用于用多媒體取代傳統教學模式,特別是對于理工科課程。針對集成電路工藝這門課程,重點內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過程不適宜使用多媒體教學講授。原因在于其理論推導過程較為繁雜,學生不可能一蹴而就,做到在短時間內完全理解,因此,最好使用板書來演示。這種做法的優勢體現在教師在書寫板書的過程中,學生會有充足的時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出嚴密的邏輯性和完整性,教師最好把主要內容提綱挈領地寫在黑板上,而不是隨著幻燈片的切換而消失,這樣可以使學生在整個課堂的教學過程中,通過視覺的感知反復復習、記憶,理解整個工藝流程。
2.處理好多媒體課件與教師間的關系。表面上,多媒體課件與教師間的關系是很容易處理的關系,教師是主導,多媒體課件是輔助。然而,在實際教學過程中,教師經常顛倒了這樣的主次關系,把自己當成解說員或朗誦者,甚至按照屏幕上的內容念一遍,這樣就會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質量。教學過程本質上應該是把多媒體課件作為一種教學的輔助工具,教師充滿激情的講授、與學生的互動以及黑板上的書寫等形式作為課堂教學的主要形式。
3.處理好師生的互動關系,發揮學生的主觀能動性。教師在教學過程中要注意學生的信息反饋,了解學生對知識的掌握程度,從而調整安排課程的進度。在使用多媒體教學的過程中,往往會出現教師的注意力過于集中在課件上,從而忽略了學生的反應,甚至有時會出現隨著幻燈片的切換,學生會對上一頁幻燈片中的知識腦海中呈現空白,表現為茫然或不解的現象。這時教師應該注意觀察學生的面部表情,也可以使用詢問或提問的形式了解學生的知識掌握程度,再根據實際情況調整預先安排的進度,不要盲目按備課進度一直進行下去而不管學生的實際學習效果。同時,教師應該運用各種方法和技術充分調動學生的學習積極性,發揮學生的主觀能動性,使被動學習變為主動索求,進而收到良好的教學效果。
五、結論
多媒體技術作為教學方式中的一種輔助工具,它彌補和完善了“黑板加粉筆”傳統教學模式的不足,利用多媒體輔助教學可以增加課堂教學的生動性,使學生保持高度的興奮,思維積極活躍,有利于提高課堂教學效果。然而多媒體技術也是一把雙刃劍,如果盲目過多地濫用多媒體教學也會產生不利的后果。更重要的還是應該遵循課程自身的特點,認真分析教學內容是否適合于多媒體教學,應用現代化教學手段,恰當地運用多媒體,才能真正發揮多媒體的功能,起好輔助課堂教學的作用。
參考文獻:
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【關鍵詞】電子信息科學與技術微電子課程體系建設教學改革
【基金項目】大連海事大學教改項目:電子信息科學與技術專業工程人才培養實踐教學改革(項目編號:2016Z03);大連海事大學教改項目:面向2017級培養方案的《微電子技術基礎》課程教學體系研究與設計(項目編號:2016Y21)。
【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A【文章編號】2095-3089(2018)01-0228-02
1.開設《微電子技術基礎》的意義
目前,高速發展的集成電路技術產業使集成電路設計人才成為最搶手的人才,掌握微電子技術是IC設計人才的重要基本技能之一。本文希望通過對《微電子技術基礎》課程教學體系的研究與設計,能夠提高學生對集成電路制作工藝的認識,提高從事微電子行業的興趣,拓寬知識面和就業渠道,從而培養更多的微電子發展的綜合人才,促進我國微電子產業的規模和科學技術水平的提高。
2.目前學科存在的問題
目前電子信息科學與技術專業的集成電路方向開設的課程已有低頻電子線路、數字邏輯與系統設計、單片機原理、集成電路設計原理等。雖然課程開設種類較多,但課程體系不夠完善。由于現在學科重心在電路設計上,缺少對于器件的微觀結構、材料特性講解[1],導致學生在后續課程學習中不能夠完全理解。比如MOS管,雖然學生們學過其基本特性,但在實踐中發現他們對N溝道和P溝道的工作原理知之甚少。
近來學校正在進行本科學生培養的綜合改革,在制定集成電路方向課程體系時,課題組成員對部分學校的相關專業展開調研。我們發現大部分擁有電子信息類專業的高校都開設了微電子課程。譬如華中科技大學設置了固體電子學基礎、微電子器件與IC設計、微電子工藝學以及電子材料物理等課程。[2]又如電子科技大學設置了固體物理、微電子技術學科前沿、半導體光電器件以及高級微電子技術等課程。[3]因此學科課題組決定在面向2017級電子信息科學與技術專業課程培養方案中,集成電路設計方向在原有的《集成電路設計原理》、《集成電路設計應用》基礎上,新增設《微電子技術基礎》課程。本課程希望學生通過掌握微電子技術的原理、工藝和設計方法,為后續深入學習集成電路設計和工程開發打下基礎。
3.微電子課程設置
出于對整體課程體系的考慮,微電子課程總學時為32學時。課程呈現了微電子技術的基本概論、半導體器件的物理基礎、集成電路的制造工藝及封裝測試等內容。[4]如表1所示,為課程的教學大綱。
微電子技術的基本概論是本課程的入門。通過第一章節的學習,學生對本課程有初步的認識。
構成集成電路的核心是半導體器件,理解半導體器件的基本原理是理解集成電路特性的重要基礎。為此,第二章重點介紹當代集成電路中的主要半導體器件,包括PN結、雙極型晶體管、結型場效應晶體管(JFET)等器件的工作原理與特性。要求學生掌握基本的微電子器件設計創新方法,具備分析微電子器件性能和利用半導體物理學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,同時簡要介紹微電子技術不斷發展對工藝技術提出的新要求。內容部分以集成電路發展的順序展開,向學生展示各種技術的優點和局限,以此來培養學生不斷學習和適應發展的能力。
第四章圍繞芯片單片制造工藝以外的技術展開,涵蓋著工藝集成技術、封裝與測試以及集成電路工藝設計流程,使學生對微電子工藝的全貌有所了解。
4.教學模式
目前大部分高校的微電子課程仍沿用傳統落后的教學模式,即以教師灌輸理論知識,學生被動學習為主。這種模式在一定程度上限制了學生主動思考和自覺實踐的能力,降低學習興趣,與本課程授課的初衷相違背。[5]為避免上述問題,本文從以下幾個方面闡述了《微電子技術基礎》課程的教學模式。
教學內容:本課程理論知識點多數都難以理解且枯燥乏味,僅靠書本教學學生會十分吃力。因此,我們制作多媒體課件來輔助教學,將知識點采用動畫的形式來展現。例如可通過動畫了解PN結內電子的運動情況、PN結的摻雜工藝以及其制造技術。同時課件中補充了工藝集成與分裝測試這部分內容,加強課堂學習與實際生產、科研的聯系,便于學生掌握集成電路工藝設計流程。
教學形式:課內理論教學+課外拓展。
1)課內教學:理論講解仍需教師向學生講述基本原理,但是在理解運用方面采用啟發式教學,課堂上增加教師提問并提供學生上臺演示的機會,達到師生互動的目的。依托學校BBS平臺,初步建立課程的教學課件講義、課后習題及思考題和課外拓展資料的體系,以方便學生進行課后的鞏固與深度學習。此外,利用微信或QQ群,在線上定期進行答疑,并反饋課堂學習的效果,利于老師不斷調整教學方法和課程進度。還可充分利用微信公眾號,譬如在課前預習指南,幫助學生做好課堂準備工作。
2)課外拓展:本課程目標是培養具有電子信息科學與技術學科理論基礎,且有能力將理論付諸實踐的高素質人才。平時學生很難直接觀察到半導體器件、集成電路的模型及它們的封裝制造流程,因此課題組計劃在課余時間組織同學參觀實驗室或當地的相關企業,使教學過程更為直觀,加深學生對制造工藝的理解。此外,教師需要充分利用現有的資源(譬如與課程有關的科研項目),鼓勵學生參與和探究。
考核方式:一般來說,傳統的微電子課程考核強調教學結果的評價,而本課程組希望考核結果更具有前瞻性和全面性,故需要增加教學進度中的考核。課題組決定采用期末筆試考核與平時課堂表現相結合的方式,期末筆試成績由學生在期末考試中所得的卷面成績按照一定比例折合而成,平時成績考評方式有隨堂小測、課后習題、小組作業等。這幾種方式將考核過程融入教學,能有效地協助老師對學生的學習態度、學習狀況以及學習能力做出準確評定。
5.結語
數字集成電路低功耗優化設計
隨著科技的不斷發展和進步,在集成電路領域當中,數字集成電路的增長速度飛快,在各種新技術的應用之下,集成電路系統的集成度和復雜度也有了很大的提升。對著移動設備、便攜設備的廣泛應用,使得數字集成電路面臨著越來越嚴峻的功耗問題。因此,在數字集成電路的未來發展當中,低功耗優化設計已經成為一個主要的發展趨勢,在數字集成電路的工藝制造、電路設計等方面,都發揮著巨大的作用。
一、低功耗優化設計的方法和技術
對于可移動、便攜式的數字系統來說,功耗具有很大的作用。因此在設計數字電路的時候,應當分析其功耗問題。在設計數字集成電路的過程中,要對功耗、面積、性能等加以考慮。而在這些方面,存在著相互關聯和約束的關系。因此,在對數字電路性能加以滿足的前提下,對設計方案和技術進行選擇,從而實現低功耗優化設計。具體來說,應當平衡性能、面積、功耗方面的關系,防止發生浪費的情況。對專用集成電路進行高效應用,對結構和算法進行優化,同時對工藝和器件進行改進。
二、數字集成電路的低功耗優化設計
1、門級
在數字集成電路的低功耗優化設計中,門級低功耗優化設計技術具有較為重要的作用,其中包含著很多不同的技術,例如路徑平衡、時許調整、管腳置換、們尺寸優化、公因子提取、單元映射等。其中,單元映射是在設計電路中,在邏輯單元、門級網表之間,進行合理的布局布線。公因子提取法能夠對邏輯深度進行降低、對電路翻轉進行減小、對邏輯網絡進行簡化從而降低功耗。路徑平衡則是針對不同路徑的延遲時間,對其進行改變,從而降低功耗。
2、系統級
系統級低功耗優化設計當中,主要包括了軟硬件劃分、功耗管理、指令優化等技術。其中,軟硬件劃分主要是對硬件和軟件在抽象描述的監督,對其電路邏輯功能加以實現,通過對方案的綜合對比,選擇低功耗優化設計方案。功耗管理是針對電路設計不同的工作模式,將空閑模塊掛起,從而降低功耗。而指令優化則包含指令壓縮、指令編碼優化、指令集提取等,通過對讀取速度、密度的提升,使功耗得到降低。
3、版圖級
在版圖級低功耗優化設計中,需要對互聯、器件等同時進行優化,對著集成電路工藝的發展,器件尺寸的減小,功耗也就自然降低。同時由于具有更快的開關速度,因此可以根基不同情況,在電路設計中選擇合適的器件進行優化。而對于系統來說,互聯作為連接器件的導線,對于系統性能也有著很大的影響。在信號布線的過程中,可以增加關鍵、時鐘、地、電源等信號以及高活動性信號的橫截面,從而降低功耗和延時。
4、算法級
在算法級低功耗優化設計當中,需要對速度、面積、功耗等約束條件加以考慮,從而對電路體系編碼、結構等進行優化。在通常情況下,為了提升電路質量、降低電路功耗,會采用提高速度、增加面積等方法來實現。算法級低功耗優化設計與門級、寄存器傳輸級不同,這兩者都是對電路的基本結構首先進行確定,然后對電路結構再進行低功耗優化調整。在算法級低功耗優化設計當中,主要包括并行結構、流水線、總線編碼、預計算等技術。
5、電路級
在電路級低功耗優化設計中,NMOS管陣列構成的PDN完成了邏輯功能,其中只需要少量額晶體管,具有較快的開關速度,同時由于具有較低的負載電容,不存在短路電流。在電源與第之間,沒有電流通路,因此不會產生靜態功耗,對于總體功耗的降低有著很大的幫助。同時,在應用的異步電路當中,在穩定狀態時,輸入信號才會翻轉,從而避免了輸入信號之間的競爭冒險,也避免了功耗浪費。
6、工藝級
在工藝級低功耗優化設計中,主要包括按比例縮小、封裝等技術。隨著技術的發展,系統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。芯片應當進行封裝,充分與外界相隔離,從而避免外界雜質造成腐蝕,降低其電氣性能。而在封裝過程中,對于芯片功耗有著很大的影響。通過合理的進行封裝,能夠更好的進行散熱,從而是功耗得到降低。
7、寄存器傳輸級
在設計數字集成電路的過程中,寄存器傳輸級是一種同步數字電路的抽象模型,根據存儲器、寄存器、總線、組合邏輯裝置等邏輯單元之間數字信號的流動所建立的。在當前的數字設計中,工作流程是寄存器傳輸級上的主要設計,根據寄存器傳輸級的描述,邏輯綜合工具對低級別的電路描述進行構建。在寄存器傳輸級的低功耗優化設計當中,主要包括了門控時鐘、存儲器分塊訪問、操作數隔離、操作數變形、寄存器傳輸級代碼優化等方法。
隨著科技的不斷發展,在當前社會中,越來越多的移動設備和便攜設備出現在人們的生活中,因此,數字集成電路也正在得到更加廣泛的應用。而在電路設計當中,功耗問題始終是一個較為重點的問題,因此,應當對數字集成電路進行低功耗優化設計,從而降低電路功耗,提升電路效率。
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