Mikroelektronik-Ausbildung am Institut für Mikroelektronische Systeme der Leibniz Universität Hannover

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1 Mikroelektronik-Ausbildung am Institut für Mikroelektronische Systeme der Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. Holger Blume, Hans-Peter Brückner, Christian Leibold, Ingo Schmädecke

2 Gliederung Motivation Grundausbildung im Bereich Mikroelektronik FPGA-Labor, Durchführung in Projektgruppen Lernziele Aufbau des Labors Fortgeschrittene Mikroelektronik-Ausbildung Projektarbeit Mikroelektronik-Chipdesign Lernziele Aufbau des Labors Evaluation der Veranstaltungen Zusammenfassung Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 2

3 Übersicht der Mikroelektronik-Lehrangebote Vorlesungen Labore, Seminare und Projektarbeiten Grundlagen digitaler Systeme Erstsemesterlabor Mikroelektronik Zweitsemesterlabor Schaltungsentwurf Steigender Spezialisierungsgrad Digitalschaltungen der Elektronik Logischer Entwurf digitaler Systeme Architekturen der digitalen Signalverarbeitung Bildgebende Systeme für die Medizintechnik Entwurf integrierter digitaler Schaltungen FPGA- Entwurfstechnik Proseminar Technische Informatik Projektarbeit Technische Informatik (FPGA-Prototyping) FPGA- Entwurfstechnik Projektarbeit Mikroelektronik Chipdesign Oberstufenlabor Mikroelektronik Oberstufenlabor Technische Informatik Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 3

4 Didaktische Ziele des Labors "FPGA-Entwurfstechnik" Lernziele: Erwerb von Kenntnissen im Bereich Grundlagen von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Einführung in die Hardware-Beschreibungssprache VHDL Entwicklungsablauf bei FPGAs Implementierung elementarer Grundschaltungen der digitalen Signalverarbeitung auf FPGAs Implementierung einer modular aufgebauten komplexeren Anwendung Anwendungsbeispiel: FPGA-basiertes Audio-Effektgerät Modul- Spezifikation Design-Flow Simulation FPGA- Struktur FPGA- Synthese Emulation Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 4

5 Besondere Merkmale zum interaktiven Selbststudium Studierende können die FPGA-Plattform mit nach Hause nehmen und im Selbststudium eigene Applikationen auf diese Plattform portieren (Verwendung der gratis Web-Edition der Design-Software) Newsgroup, Wiki etc. zu dieser Plattform auf Instituts-Webseite Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 5

6 Anwendungsbeispiel: FPGA-basiertes Audio-Effektgerät Analog- /Digital- Wandler FPGA Audio- Schnittstelle Vorverarbeitung & Interfaces Mixer Gain Schaltmatrix Delay IIR- Filter Anwendungen auf dieser Plattform: Hall-Generator Equalizer Sound-Synthese... Zur Verfügung gestelltes Framework Aufgaben im Rahmen des FPGA-Labor Module aus dem Download-Bereich Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 6

7 Design-Flow (I) Implementierung Graphische Modellierung VHDL Programmierung Simulation (funktional und Timing) Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 7

8 Design-Flow (II) Design Entry RTL Simulation Synthese Place and Route Gate-Level-Simulation Device Programming Quartus II (Altera) Design Entry Synthese Place and Route Device Programming Modelsim (Mentor Graphics) RTL Simulation Gate-Level- Simulation Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 8

9 Entwicklungsboard Altera DE-2 Development and Education Board Altera Cyclone II FPGA 35k Logikäquivalente Integr. Programmierschnittstelle (USB) 512k SRAM 8M SDRAM, 4M Flash 24-bit Audio Codec (DAC/ADC) Mic In, Line In, Line Out Seriell (UART/COM) LCD, 7-Seg., LEDs Schalter und Taster Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 9

10 Erworbene Kompetenzen FPGA-Labor Wenn Sie aus diesem Labor kommen können Sie elementare Algorithmen in Hardware-Beschreibungs-sprachen umsetzen und effizient auf FPGAs implementieren. Sie kennen aktuelle Entwicklungen bei rekonfigurierbaren Archi-tekturen und haben gelernt, rekonfigurierbare Logik vorteilhaft einzusetzen. Entwurfspfad Algorithmus HDL FPGA-Implementierung Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 10

11 Didaktische Ziele der Projektarbeit Mikroelektronik Projekt: Bau Dir Deine eigene Wetterstation! Motivation: von der Idee bis zum gefertigten Chip Lernziele: Erwerb von Kenntnissen im Bereich Methodiken modernen ASIC-Designs Umsetzen komplexer Lehrinhalte Anwendung kommerzieller Software Industrieprojekt-nahes Arbeiten Soft-Skills Gruppenarbeit Kommunikationstechnik Präsentationstechnik Team- Planung Board-Design Produkt- Spezifikation Design-Flow Back-End Firmware Simulation Emulation FPGA- Struktur Modul- Spezifikation FPGA- Synthese ASIC- Synthese Gate-Level Simulation Verifikation Layout Testen Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 11

12 Projektarbeit Mikroelektronik: Wetterstation on Chip Druck Temperatur PC-Verbindung Funkuhr Display Tastatur Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 12

13 Projektarbeit Mikroelektronik Spezifikation Design Start: Chip-Spezifikation Ziel: Chip-Layout 1. Gruppenphase VHDL-Implementierung und Verifikation einzelner Module Exaktes Einhalten von Schnittstellen zwischen den Modulen Begleitende Seminare: VHDL / Testbenches ASIC-Synthese Back-End 3 2 Schematic 1 VHDL-Design Design mit Standard-Zellen Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 13

14 Projektarbeit Mikroelektronik Design Chip 2. Gruppenphase Simulation, FGPA-Synthese und Emulation des gesamten Designs (DE2-Baord) ASIC-Synthese und Erstellen eines metrischen Layouts für Chipfertigung Entwurf einer passenden Platine mit Eagle Entwicklung von Software für die Wetterstation Assembler- / C++-Code Gemeinsames Labor: Logikanalyse Messen am Board, Grundlagen der Logikanalyse FPGA emuliert Chip Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 14

15 Erworbene Kompetenzen Projektarbeit Mikroelektronik Wenn Sie aus diesem Labor kommen können Sie aus Spezifikationen Module in Hardware-Beschreibungssprachen realisieren und deren Funktion verifizieren. Zudem kennen Sie den weiteren Verlauf, um ein HDL-Design im Ganzen zu testen und in ein metrisches Layout zu überführen. Hinzu kommen noch der Entwurf einer Platine, sowie die Erstellung von Soft-/Firmware und Grundlagen der Logikanalyse. Spezifikation HDL Emulation Chip Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 15

16 Impressionen Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 16

17 Ablaufplan Labor FPGA-Entwurfstechnik (WS) Laborversuch Lernziele Oktober 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche Quartus Tutorial Kennenlernen der Altera Quartus Entwicklungsumgebung November Dezember 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche Modelsim Tutorial Mischen und Verstärken von Audio- Signalen Schaltmatrix Kennenlernen der Simulations- Software Modelsim Operationen auf Basis diskreter Audio-Samples Verwendung von Operatoren Zahlendarstellung Erzeugen regulärer Strukturen (for generate) Januar 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche Schaltmatrix Optionale Module Arbeiten mit Arrays Nutzen des SDRAMs Erstellen von Zustandsautomaten Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 17

18 Evaluation - Labor FPGA-Entwurfstechnik trifft zu trifft nicht zu Labor seit dem Wintersemester 09/10 Ø 46 Teilnehmer pro Semester Der Praxisbezug der LV ist deutlich Die Lehrperson kann Fragen gut beantworten 1,3 1,6 Studenten der: Die LV ist gut organisiert 2 Elektrotechnik Mein Wissensgewinn durch die LV ist hoch 1,35 Mechatronik Arbeitsgeräte sind in ausreichender Menge vorhanden 1,8 Technische Informatik Die Arbeitsgeräte funktionieren gut 1,55 Informatik Die Aufgaben sind der Zeit angemessen 2,45 Es werden gute Umdrucke und Skripte angeboten 2,4 Sehr gute Evaluationsergebnisse Insgesamt beurteile ich die Vorlesung mit der Schulnote Ich habe an der LV teilgenommen (in Prozent) 1 1, % 0-20 % Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 18

19 Ablaufplan Projektarbeit Mikroelektronik (SS) Phase Lernziele April Mai Juni Juli 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 1. Gruppenphase, Begleitende Seminare 2. Gruppenphase, Labor Logikanalyse (1 Termin) Implementieren einen Moduls in VHDL nach Spezifikation Verifikation des Moduls mit selbst erstellter Testbench Seminare zu den Themen Testbenches, ModelSim und der 2. Gruppenphase Zusammenfügen der Module aus 1.Phase zu vollständigem Design Emulation auf FPGA (Verifikation) Entwicklung/Erweiterung von Firmware und GUI Logikanalyse-Labor mit dem Board Präsentation Vorstellen der Ergebnisse aus 2.Phase Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 19

20 Evaluation - Projektarbeit Mikroelektronik Labor in der Form seit dem Sommersemester Teilnehmer/Jahr Studenten der: Elektrotechnik Mechatronik Informatik Technische Informatik Sehr gute Evaluationsergebnisse Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 20

21 Zusammenfassung Aufeinander abgestimmte Lehrveranstaltungen Vorlesung Labor Projektarbeit Praxis-nahe Teamarbeit an motivierenden Applikationen nach freier Zeitgestaltung mit begleitenden Seminaren Motivation und Möglichkeiten schaffen, sich über das Lehrangebot hinaus praktisch mit den Lehrinhalten zu beschäftigen Hohe Nachfrage der Studierenden und der Industrie nach den Absolventen mit dieser Ausbildung bestätigt den Erfolg! Mikroelektronik-Ausbildung an der Leibniz Universität Hannover Seite 21