集成電路特色專業(yè)課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

摘要 集成電路是電子信息技術(shù)的核心。因此,加速集成電路人才培養(yǎng),在教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面的改革成為當(dāng)前高等教育集成電路人才培養(yǎng)的重要和緊迫任務(wù)。為保證集成電路設(shè)計專業(yè)學(xué)生緊跟當(dāng)前主流設(shè)計思想,原有課程和教學(xué)規(guī)劃將面對全新的問題,急需開展相應(yīng)的教學(xué)研究,主要包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)北航電子信息學(xué)院的自身特點(diǎn)并借鑒其他院校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),課程理論與工程實(shí)際緊密結(jié)合,在設(shè)計實(shí)現(xiàn)方面,采用課堂和課后結(jié)合的方式,著力培養(yǎng)懂理論、重實(shí)踐、勤思考的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞 集成電路(IC);設(shè)計實(shí)現(xiàn);教學(xué)研究和高等教育

中圖分類號:G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)27-0069-03

Teaching Studying of Course and Experiment about IC Design//Li Hongge

Abstract The integrated circuit is the core of electronics information technology. In order to confirm the consistency between IC design professional and mainstream design method, the older course must adjust about teaching content and experiment method and so on. This teaching reforming complete the combination of theory and engineering, and its aim is of training the high-quality talent with theory, practice and considering.

Key words IC; design implementation; teaching studying and higher education

Authors address School of Electronic Informational Engineering, Beihang University, 100191, China

當(dāng)前,作為電子信息技術(shù)的核心,集成電路設(shè)計是國家高新技術(shù)的支柱性產(chǎn)業(yè),也是保障國防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。因此,加速集成電路人才培養(yǎng)是高等學(xué)校迫在眉睫的重任。由于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)特別是集成電路較發(fā)達(dá)國家有較大的差距,我國傳統(tǒng)的半導(dǎo)體專業(yè)劃歸為微電子學(xué)與固體電子學(xué),其教授的核心主要集中在半導(dǎo)體理論方面,而對于集成電路設(shè)計的理論和方法相對薄弱。然而,隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,國際主流趨勢已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镈esign House(集成電路設(shè)計公司)和Foundry(芯片代工廠)前后銜接與配合的模式。與此同時,相關(guān)的高等教育也必須符合產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的需求,因此,集成電路專業(yè)的高等教育在教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法和設(shè)計實(shí)踐等環(huán)節(jié)的改革成為當(dāng)前高等教育中集成電路人才培養(yǎng)重要和緊迫任務(wù)。新的專業(yè)發(fā)展趨勢帶來新教學(xué)方法和與之配套的設(shè)計實(shí)踐,面對這些全新的問題,需要開展相應(yīng)的教學(xué)研究,主要包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)北航電子信息工程學(xué)院自身特點(diǎn)并借鑒其他院校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),新教學(xué)法主要圍繞以集成電路設(shè)計原理為主,配合主流IC設(shè)計方法且與工程實(shí)際緊密結(jié)合的體系模式,在設(shè)計實(shí)踐方面,為保證學(xué)生對IC設(shè)計流程及方法的充分理解,采用課堂教學(xué)與專業(yè)課程設(shè)計全面結(jié)合的方式,著力培養(yǎng)懂理論、重實(shí)踐、勤思考的集成電路設(shè)計高素質(zhì)復(fù)合型人才。

1 集成電路專業(yè)現(xiàn)狀

集成電路自1958年在德州儀器誕生以來,歷時半個多世紀(jì)的發(fā)展,在美日歐等發(fā)達(dá)國家的發(fā)展中已經(jīng)日益完善。而在我國,現(xiàn)代意義的集成電路發(fā)展才經(jīng)歷10年左右的歷程。對于本專業(yè)而言,當(dāng)今主流集成電路設(shè)計理論和方法也是一新概念,新專業(yè)帶來新課程和新教學(xué)規(guī)劃,面對這些全新的問題,需要借鑒國際一流大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合已有基礎(chǔ),探索一條適合于自我發(fā)展的途徑。

集成電路相關(guān)課程的教學(xué)規(guī)劃、實(shí)踐體系建設(shè)較薄弱,目前仍處于初級階段?，F(xiàn)在,電子信息工程學(xué)院承擔(dān)著北航國家集成電路人才培養(yǎng)基地80%的IC人才培養(yǎng)任務(wù)。與此同時,學(xué)院已經(jīng)完成多項(xiàng)與集成電路基礎(chǔ)課程相配套的課程建設(shè)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),相關(guān)的精品課程建設(shè)和軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)也正在實(shí)施中。盡管學(xué)院在集成電路基礎(chǔ)課程的建設(shè)上取得可喜的成績,但對于新開設(shè)的集成電路設(shè)計本科專業(yè)課程,有關(guān)教學(xué)內(nèi)容需要根據(jù)當(dāng)前國際流行的IC設(shè)計方法進(jìn)行建設(shè),這樣才能保證北航在國內(nèi)外的教學(xué)地位和聲譽(yù)的進(jìn)一步提升,也才能保證為國家輸出優(yōu)秀的IC設(shè)計人才。因此,迫切需要建立和完善一套相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐課程體系,同時需要在配套的教學(xué)方法上取得突破性進(jìn)展,達(dá)到國際一流大學(xué)的目標(biāo)。

新的教學(xué)要求會帶來一些問題。1)教學(xué)內(nèi)容:本科階段夯實(shí)集成電路理論基礎(chǔ)知識與學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的非匹配問題;專業(yè)特設(shè)課程內(nèi)容與實(shí)際IC設(shè)計應(yīng)用結(jié)合的問題。2)教學(xué)方法:大量的專業(yè)特設(shè)理論教學(xué)和以IC設(shè)計工程為對象的教學(xué)方法的基礎(chǔ)性與應(yīng)用性矛盾問題;凸顯具有現(xiàn)代IC設(shè)計理念的教師授課方法與學(xué)生聽課的交互式學(xué)習(xí)問題。3)設(shè)計實(shí)踐:課堂教學(xué)內(nèi)容和IC設(shè)計實(shí)踐結(jié)合問題;學(xué)生對集成電路設(shè)計流程工具(EDA工具)的理解和掌握的問題。

現(xiàn)在,本課程正處于教學(xué)內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)方法轉(zhuǎn)型期,包括多媒體課件制作、教材補(bǔ)充完善、配套練習(xí)題完善、教學(xué)實(shí)驗(yàn)共享網(wǎng)站建設(shè)等。由于是結(jié)合國際最新IC發(fā)展方向的教學(xué)實(shí)踐課程,將通過圍繞新的教學(xué)內(nèi)容建設(shè)而開展教學(xué)方法與課程實(shí)踐的探索、實(shí)現(xiàn)和研究。

2 課程教學(xué)改革方案與措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容夯實(shí)本科生牢固的專業(yè)基礎(chǔ)知識,適當(dāng)引入和講解集成電路產(chǎn)業(yè)最新科技發(fā)展的研究方向。集成電路設(shè)計技術(shù)既具有極強(qiáng)的理論性又有時間約束性,因此,只有學(xué)習(xí)掌握牢固的理論基礎(chǔ)知識,才能在研究和挑戰(zhàn)世界領(lǐng)先的技術(shù)和方法上發(fā)揮潛能。

堅持把實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計案例分解到教學(xué)課程中,突出教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn),重點(diǎn)講述關(guān)鍵知識點(diǎn)、核心技術(shù),免除不必要的重復(fù)內(nèi)容,使學(xué)生真正抓住重點(diǎn),并使用應(yīng)用案例說明理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù),突出設(shè)計思考的方法。

模擬集成電路和數(shù)字集成電路(含集成電路設(shè)計方法學(xué))是本專業(yè)新開設(shè)的2門課程,針對教學(xué)大綱的要求,確保學(xué)生掌握和理解模擬集成電路的運(yùn)算放大器和開關(guān)電容電路等核心知識;確保學(xué)生對數(shù)字集成電路中CMOS電路的靜態(tài)和動態(tài)特性、時序組合邏輯電路、低功耗邏輯電路等知識的掌握和理解;同時講解當(dāng)前系統(tǒng)集成最新技術(shù)發(fā)展動態(tài),結(jié)合Verilog語言講授完整的基于單元系統(tǒng)設(shè)計方案。

2.2 教學(xué)方法完善多媒體課件和相關(guān)的教學(xué)資源?，F(xiàn)代教育技術(shù)手段通常使用多樣化的教學(xué)方式,其中包括多媒體課件、網(wǎng)上教學(xué)共享系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬討論等,通過這些現(xiàn)代的教學(xué)方法可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動探討的精神。2門課程分別完成2套與課程配套的內(nèi)容翔實(shí)的教學(xué)課件,完成內(nèi)網(wǎng)的教學(xué)資源建設(shè)以及配套服務(wù)。

加強(qiáng)教師授課與學(xué)生聽講的互動式學(xué)習(xí)方式。互動式教學(xué)主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)階段,在此階段以學(xué)生為主、教師為輔、師生互動的方式激勵學(xué)生的探索精神。

課堂教學(xué)內(nèi)容和生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計實(shí)踐相結(jié)合。集成電路設(shè)計專業(yè)是以設(shè)計實(shí)現(xiàn)為中心的應(yīng)用型課程,在實(shí)踐中讓學(xué)生充分掌握設(shè)計實(shí)現(xiàn)的全流程,并完成基于EDA工具的版圖仿真,在有條件的情況下讓學(xué)生參與流片和測試。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生對集成電路設(shè)計工具(EDA工具)的理解和掌握將有進(jìn)一步提高。

2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)集成電路工藝已經(jīng)在深亞微米級別,單芯片集成的晶體管都在幾十萬、幾百萬門。集成電路實(shí)現(xiàn)的是以某一種系統(tǒng)為背景的設(shè)計,其復(fù)雜度的要求必須使用成熟的設(shè)計工具,因此,搭建完善的EDA實(shí)驗(yàn)平臺是IC Design的前提條件。在數(shù)?；旌显O(shè)計和SOC系統(tǒng)級設(shè)計中,多工具多人同步協(xié)同驗(yàn)證是必不可少的。同時,搭建完整的EDA網(wǎng)絡(luò)在保證數(shù)據(jù)的安全、提高協(xié)同設(shè)計等方面將具有至關(guān)重要的作用。此實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)工程的組建有利于保證健全穩(wěn)定的研究開發(fā)實(shí)施;有利于保證研發(fā)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)安全;有利于保證多人同步設(shè)計與驗(yàn)證的協(xié)調(diào)管理。實(shí)驗(yàn)軟硬件平臺網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖1所示,圖2為網(wǎng)絡(luò)平臺下的全定制IC設(shè)計環(huán)境。

3 教改成果與創(chuàng)新

集成電路專業(yè)通過教學(xué)改革,實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與世界一流大學(xué)同步的教育方案,保證學(xué)生理解掌握課程理論思想與配套實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo):1)完成設(shè)計實(shí)用案例貫穿于課程教學(xué)的全過程,確保學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中理解教學(xué)內(nèi)容的目標(biāo);2)完成2門課程相關(guān)的多媒體教學(xué)課件,完成配套的教學(xué)共享資源;3)實(shí)現(xiàn)學(xué)生全流程動手實(shí)驗(yàn)方案,確保學(xué)生具有一定的設(shè)計思想和經(jīng)驗(yàn);4)在國家特設(shè)專業(yè)建設(shè)經(jīng)費(fèi)與學(xué)校配套資金的支持下,搭建完成集成電路設(shè)計的環(huán)境平臺,提高學(xué)生的動手能力和工程實(shí)踐能力。

通過上述目標(biāo)實(shí)現(xiàn)國家集成電路人才培養(yǎng)基地的確定目標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型、研究型和創(chuàng)新型的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

通過為期一年的教改實(shí)施,教改成果包括:1)完善教科書和當(dāng)前最前沿技術(shù)相融合的多媒體課件及相關(guān)配套板書設(shè)計各一套,教學(xué)內(nèi)容以教科書為主,以實(shí)際工程設(shè)計案例為輔,完成專業(yè)理論與工程實(shí)現(xiàn)的配套改革;2)建立完成適合集成電路人才培養(yǎng)基地的國家級IC設(shè)計軟硬件設(shè)計驗(yàn)證平臺,編寫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計驗(yàn)證事例,編寫模擬、數(shù)字2本相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手冊和教材。

通過一年的教學(xué)與課程設(shè)計的改革,并對教改前后學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查分析:本專業(yè)的學(xué)生對專業(yè)課程及發(fā)展方向都產(chǎn)生濃厚的興趣,2009年暑期的生產(chǎn)實(shí)習(xí),全班級有21名學(xué)生在本專業(yè)教研室內(nèi)進(jìn)行有關(guān)集成電路設(shè)計方面的實(shí)習(xí)工作,占全班級的72.4%;比較08年的5名學(xué)生,增長率達(dá)到54%。

從教改中可以凝練出,改革原有單純教科書的講授內(nèi)容,采用結(jié)合實(shí)際設(shè)計案例為依托的聯(lián)系教學(xué)法,從而確保學(xué)生具有足夠的感性理解。同時,教學(xué)內(nèi)容結(jié)合當(dāng)前最新科技,豐富集成電路課程內(nèi)容,從而擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)視野,培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力,增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

完成以精品教學(xué)課件為基礎(chǔ)的教學(xué)方案,加強(qiáng)授課教師與聽講學(xué)生的良性互動,從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和手段的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)。與此同時,完成網(wǎng)絡(luò)共享資源的合理利用,進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生主動參與、主動思考以及主動創(chuàng)新的意識。

完善的集成電路設(shè)計驗(yàn)證環(huán)境是學(xué)院在人才培養(yǎng)基地方面更進(jìn)一步的標(biāo)志。集成電路設(shè)計驗(yàn)證環(huán)境根據(jù)不同的開發(fā)項(xiàng)目可以搭建與之相對應(yīng)的靈活可靠的平臺和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,并完成相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)資源,使學(xué)生明確教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、改善教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、提高設(shè)計實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

本文闡述了在當(dāng)前條件下高校實(shí)施人才培養(yǎng)戰(zhàn)略時,集成電路專業(yè)如何更好地提高教學(xué)質(zhì)量的教改策略和配套的實(shí)驗(yàn)方案。通過教改前后的比較和分析,新的教學(xué)方案和實(shí)驗(yàn)方法具有教授學(xué)習(xí)互動、認(rèn)知實(shí)踐配合、理論工程互補(bǔ)的優(yōu)勢。教改的結(jié)果表明,新的教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)境為國家IC培養(yǎng)基地提供了良好的環(huán)境,為國家急需的芯片核心技術(shù)的提升打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

集成電路產(chǎn)業(yè)是日新月異的產(chǎn)業(yè),高校的教育要不斷緊跟國際的主流,為此,教師的責(zé)任尤為重要。與此同時,實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的配套必須有一定的資金的支持,才能保證教改成果的持續(xù)和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]Gray P R,等.模擬集成電路分析與設(shè)計[M].張曉林,譯.北京:高等教育出版社,2005

[2]Kang S M.CMOS數(shù)字集成電路分析與設(shè)計[M].王志功,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006

[3]Razavi B.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦,等,譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2003

[4]李洪革.數(shù)模混合集成電路設(shè)計與實(shí)驗(yàn)工程講義[Z]