《芯片加速力引论》教学大纲

课程编号：

课程名称：芯片加速力引论           英文名称： Introduction to Chip Acceleration                             

学分/学时： 1/16                    课程性质：     通识基础课        

适用专业：电子信息类和计算机类等专业                            

建议开设学期：春季                          

先修课程：计算机导论与程序设计       开课单位： 通信工程学院                            

一、课程的教学目标与任务

本课程引导学生了解芯片的设计流程及在信息技术领域起到的重要作用，探讨新时代芯片加速的优势及其带来的基于与挑战。

本课程的教学目标是介绍芯片设计流程中的关键技术，以及以FPGA为中心搭建硬件加速系统。重点介绍芯片在通信、计算机与人工智能等领域的发展历程以及给社会带来的巨大变化，尤其在通信领域中一些常见算法由软件变为硬件实现所带来的性能提升，以及可信芯片在信息安全中的重要地位。让学生了解设计芯片的流程，包括设计、制造、测试、封装中的常见方法。通过本课程的学习学生在今后的科研或工作中可以把芯片化的设计思想融入各种系统的开发过程中，以开发出具有自主知识产权的芯片或IP为目标，为解决目前国内芯片行业面临的瓶颈问题出力。在这门课的演示实验中，学生将看到如何构建基于FPGA的加速系统，以及如何把常见的算法通过FPGA实现带来性能的提升。本课程会特别注重于区分软件编程与硬件编程的概念，为学生从事芯片设计开发的相关工作打下坚实的基础。

二、课程具体内容及基本要求

（一）集成电路概论

讲述集成电路、芯片、ASIC、半导体和微电子的概念，介绍每年半导体领域各种排名的分类方法展开介绍集成电路的分类。通过晶体管发明到仙童半导体公司的历史再到Intel公司CPU的发展历程引出摩尔定律，最后通过一段《互联网时代》视频说明芯片在互联网时代中的重要地位，介绍目前我国集成电路产业水平的现状。
    （二）芯片的设计流程

具体内容：本章详细讲述数字集成电路和模拟集成电路具体的设计流程。分别以具体的芯片设计案例进行讲述，通过介绍，让大家了解前端、后端的概念及主要含义，了解工艺线的概念，了解集成电路相关企业的分类及分工，通过播放视频的方式让大家了解设计、制造、测试、封装的全流程。从设计、制造、测试、封装的角度分别分析国内相关的企业与国际企业之间的差距与优势。

（三）FPGA及开发流程

主要介绍FPGA的概念及开发流程。分析国内外FPGA相关公司的现状，强调FPGA在芯片设计中的重要地位。通过实际FPGA开发案例的介绍让大家了解常见的FPGA开发流程。介绍硬件描述语言（Verilog HDL和VHDL）在FPGA开发和芯片设计中的应用及区别，分析HDL语言与C语言的软件编程语言的区别。演示LED流水灯实验。

（四）FPGA加速案例介绍
    通过介绍FPGA在目前机器学习、大数据分析、数据中心加速、比特币挖矿等领域的重要应用，通过一个通信相关的具体案例（如SMART NIC），对比FPGA实现与CPU软件编程实现性能上的不同，引出FPGA在目前各个行业中具有重要应用潜力的概念。提出以FPGA为中心的硬加速结构，分别介绍硬件部分功能与软件部分功能，强调通信接口的重要作用及其FPGA设计实现的方法。
    （五）可信芯片技术与网络安全

通过介绍硬件木马等可信芯片的概念，引出自主设计芯片的重要意义。介绍FPGA硬加速系统在PPPOE攻击中的实现案例。介绍流分类的概念以及正则匹配的概念，以及在未来网络中基于内容的快速匹配的应用场景，对比软件实现的正则匹配与硬件实现的正则匹配的性能区别以及FPGA硬加速系统在防网络攻击和病毒攻击中的重要意义。
    （六）HINOC芯片中的硬加速

通过介绍具有自主知识产权的HINOC芯片的开发历程，基本功能及其产业化经历，回顾前面课程中介绍的芯片设计流程的基本概念。介绍HINOC芯片中硬加速模块的功能及其与软件实现的性能对比，再次强调硬加速的重要意义。介绍HINOC芯片中与通信相关的技术知识点，如MAC层和PHY与经典五层结构的关系、射频模块与调制解调、OFDM等的概念，强调通信中几乎所有知识点都可以芯片实现。回顾西电WAPI标准化历程及HINOC标准化历程，探讨产业地位与标准化和技术先进的关系。

（七）FPGA硬加速系统演示

    按照FPGA开发流程，进行功能需求分析，资源评估，模块划分，使用ModelSim进行功能仿真，使用ISE或Vivado工具进行FPGA编译下载，最后上板调试，演示上位机PC机通过网口与FPGA板卡进行通信，以及两台笔记本电脑通过FPGA开发板的网口进行文件互传、在线视频点播等操作。同时演示上位机界面与FPGA内部寄存器和存储器数据的读写，强调FPGA内部的功能模块可以替换成其它算法如人脸识别等，也可以通过串口或USB口等实现与PC机的交互。

（八）科学研究与工匠精神

讲述科学教育中实践科学精神教育的途径与方法，希冀工匠精神的养成从课程到教学、从理论到实践，从理念到策略都能得到落实。播放CCTV《大国工匠》和《互联网时代》相关纪录片片段，强调当代大学生的使命和担当，未来择业的选择应该与国家的需要紧密结合起来。

三、教学安排及方式

总学时 16  学时，其中：讲授  12  学时，上机实践 0 学时，线上4  学时。

注：教学方式包括面授和线上，其中面授包括： 讲授、实验、上机、实践。

四、考核及成绩评定方式

最终成绩由平时作业成绩、期末成绩和小论文成绩等组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：30%。主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度，其中包括课堂答题准确率等。

期末考试成绩：50%。主要考核集成电路设计相关基础知识的掌握程度。书面形式。题型为：选择题、填空题、问答题等。

课程论文成绩：20%。主要考核发现、分析和解决问题的能力，以及语言及文字表达能力。学生可自拟题目或根据任课教师提出的题目撰写课程学习小论文，并在一定形式下进行宣讲、答辩，最后评定课程论文成绩。

过程成绩提交时间和总评成绩计算说明表

注：上表用于说明授课过程中分项成绩提交时间，教师应在规定的时间内提交对应成绩，提前或逾期无法提交，一旦提交无法修改。大纲可以根据需要自行定义提交成绩的次数、时间和名称或说明，总评成绩计算必须与考核和成绩评定方式中描述的一致。

五、教材及参考书目

教材：无。

参考书目：

1.    《微电子概论》（第二版），郝跃、贾新章等，高等教育出版社，2003；

2.  《CMOS数字集成电路》，王志功等，电子工业出版社，2009年；

3.  《FPGA设计指南--器件、工具和流程》，杜生海等译，人民邮电出版社，2007。

4.  《数字集成电路：电路、系统与设计》，拉贝，电子工业出版社，2017；

六、说明

（一）与相关课程的分工衔接

该课程是公共课《集成电路设计导论》的先导课程，从概述的角度介绍了芯片是什么、芯片是怎么做出来的以及芯片有什么用的问题。为后续课程的学习打下良好的基础。

（二）其他说明

无。

（执笔人：潘伟涛    审核人： ）

2018年 12月1日

另外，欢迎大家关注本课程微信公众号：西电通院集成电路设计导论。

从2018年四月份中兴被禁到今年华为被拉入黑名单，国内媒体铺天盖地的文章开始科普芯片的重要性，痛斥国内目前被房地产、互联网金融等左右的就业导向，在此不再一一列举了，大概的发展路子是发布被禁新闻，反思目前芯片现状，比如国内芯片国产化率如何的低，抱怨国人都在追逐容易赚钱的行业，反思社会上的浮躁，炒房价、炒茅台，就连一瓶是药还是酒都分不清的鸿茅药酒都能有几百亿的体量，毕业生也往容易赚钱的互联网和金融业去钻等等诸如此类，反思之前大基金等一系列集成电路扶持政策的经验，之后就开始痛定思痛，决定还是脚踏实地去大力发展自主芯片。

对于我们在校读书的学生而言，我认为还是很有必要树立正确的态度对待这件事情，承认差距，不卑不亢，踏踏实实的储备基础知识，小则可以创业致富，大则可以技术报国。要有家国情怀，只要有民族和国家在，就不能仅仅为自己的个人利益考虑，还要把自己未来的职业和发展跟国家的需要紧密的结合在一起。咱们学校的保院士、郑书记、郝院士、段院士，每次讲话都强调一定要把自己的研究跟国家的需要紧密的结合起来！这是身为一名普通西电人的责任和义务，更是做一名有理想、有追求、有担当的三有西电人的责任和义务。

但我还想谈一下目前的现状，我们距离国家对我们的要求还是有一定的差距的。

一、选课的必要性

我们的集成电路课程，是通院唯一的一门介绍芯片设计全流程的课程，这里面帮着通信专业的同学介绍芯片是如何一步步设计出来的。在每年的第一节课上的前面几页PPT上，我都会把最新的世界上半导体领域分类的企业排名给大家展示出来，一个目的是告诉大家，目前几乎所有的芯片设计巨头都是跟通信相关的；另外一个目的就是让大家看到差距，在这些巨头中大陆的企业太少太少。给大家强调，学通信必须要懂一点集成电路，否则眼界实在是有限，毕业出去后甚至无法跟别人交流。讲到一些foundry厂，wafer，最小线宽，工艺线等之类的名词都听不懂，还谈何做通信芯片，更谈不上报国。另外，在国外，很多通信专业的学生都学微电子，西电受限于专业划分过细，导致培养的学生专业面太窄，发展受到非常大的影响。目前火爆的人工智能、机器人行业等等，都需要掌握跨学科的知识技能，在这种跨度上来看通信和微电子就是一个方向。

另外，也是最重要的，通信行业仍然是目前最有可能也是最有希望做出芯片的专业，反之，如果通信的研究能够达到做出芯片的地步，也代表着真正具有了核心技术，反过来推动通信行业的发展。

二、选课的紧迫性

目前学校在芯片设计上的发展就如同咱们国家在国际上芯片行业的地位，几乎没什么声音。每年的研究生招生面试，总体感觉质量越来越差，前几天的优研面试，问一个西电学生是否听过FPGA，回答说没听说过，更别提什么硬件描述语言之类的。

在这门课上，我重点介绍的也是硬件开发语言和软件开发语言的巨大差异。这门课，也是目前少数几门课程中一门可以实实在在的接触到软件和硬件紧密接触的课程，从本质上理解为什么有硬件和软件之分，C语言最终在硬件CPU上是如何运行的，硬件上比如CPU是如何执行指令的，指令在芯片上是什么样子，什么是芯片上的寄存器等等，这一切的一切，对于打下良好的软硬件概念基础，具有非常重要的意义。

再说说FPGA，这门课会反复的强调，硬件描述语言跟软件编程语言的重要差异，通过课程的学习，会让你彻底改变采用软件思想设计硬件电路的坏习惯，并且必须具有搭建仿真环境的能力。在微电子领域，FPGA不过是ASIC设计流程中的一个验证阶段而已，但对于通院的学生，却绝不仅仅如此。FPGA可以实现咱们通信专业任何一门专业课上的几乎所有知识点。调制解调、计算技术网络通信，交换等等，这也是为什么现在见到的芯片几乎都是通信芯片的原因。可以想象，一个通信专业的学生毕业后竟然连芯片是怎么做的都不了解，还谈什么提高本科生教学质量。

在这门课上，FPGA就是一个具有非常重要价值的工具，我会给大家通过FPGA的方式讲解各种PC台式机机箱后面各种接口的时序，如何编写FPGA代码跟PC机上网口、串口、PCIE接口、VGA接口等进行交互，让你自己从网口截获一个数据帧，亲自去分析数据链路层和物理层帧的结构，进而去分析西电校园网登录的PPPoE协议如何去破解，自己通过串口去配置FPGA里面的寄存器等等，有了各种接口的学习，加上上位机软件的开发，就可以去验证或者加速任何你想做的算法和通信协议等等！这是一种非常非常重要的本领！我希望每位同学都能够掌握好，就如同前些年必须要会用ARM芯片一样。这远比传统的通信实验课上去学习别人芯片怎么用有意义的多，因为我们是做芯片的，要远比学习如何用芯片有价值的多。这才是核心技术，也只有通过FPGA这样的平台，才能接触到这些最核心的东西，也只有接触了最核心的东西，将来才能够去做出来自己的核心芯片。这些都是相辅相成的。可惜，现在很多学生，急功近利，没有这么高的眼界和远见，把一些最有价值的东西给忽略了。

再说FPGA，有了FPGA和集成电路工艺水平的提升，才开启了人工智能领域的大规模应用。在某些情况下，一个数千元的FPGA开发板达到的加速效果可以远超过一台数百万元购买的高性能多核并行计算机的实现效果（这在通识课《芯片加速力引论》上会介绍）。因此，掌握了FPGA接口电路的设计，为以后在各种场景下对某些特定算法的FPGA加速提供操作系统与FPGA交互的渠道。这门课上会详细的介绍FPGA开发中硬件描述语言的规范性写法，这在目前市面上参考书中是找不到的，也是十几年来调试FPGA经验的积累，会介绍各种不规范写法所带来的危害和不稳定因素（大家也可以关注微信公众号“网络交换FPGA”进一步了解）。

同学们，选集成电路设计课才有资格去谈芯片设计，才能有能力去解决目前国家面临的芯片困局！一些人在谈中兴被禁是因为向伊朗出口技术导致的，更有人甚至去责备中兴的高层，可是大家想过没有啊，保密意识固然重要，但我们为什么非得看老美的脸色？他老美整天向台湾出售武器怎么不说？所以，还是我们不够强大。欲加之罪，何患无辞！只有自己真正的强大了，才能说话有声音，才能不被人欺负。

几天看到了一个说法，国防报国，参军报国，其实选择做自己的通信芯片也是一种最急迫的一种报国的方式！

所以，欢迎同学们选《芯片加速力引论》和《集成电路设计导论》课程。