集成電路設(shè)計類課程的改革探索

趙琳娜， 虞致國， 梁海蓮， 閆大為

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

集成電路設(shè)計類課程的改革探索

趙琳娜， 虞致國， 梁海蓮， 閆大為

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

在現(xiàn)有的教學(xué)機制基礎(chǔ)上，本課程建設(shè)小組對集成電路設(shè)計類課程群進行了探索性的“多維一體”的教學(xué)改革，提出了新型集成電路設(shè)計類課程體系和教學(xué)模式，將工程案例教學(xué)法貫穿于課程的理論、實驗和作業(yè)環(huán)節(jié)，通過案例教學(xué)使學(xué)生掌握集成電路的前端和后端設(shè)計流程。

集成電路設(shè)計； 微電子專業(yè)； 課程體系； 教學(xué)模式

集成電路被稱為信息產(chǎn)業(yè)的“心臟”，其技術(shù)水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志之一[1]。為促進集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2014年10月我國成立了集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金重點投資集成電路芯片制造業(yè)，兼顧芯片設(shè)計、封裝測試、設(shè)備和材料等產(chǎn)業(yè)[2]，該基金會的設(shè)立，提高了整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的信心，為集成電路產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了活力。任何行業(yè)的發(fā)展都離不開人才，尤其對高端人才的需求。目前，我國高端集成電路設(shè)計、版圖設(shè)計、系統(tǒng)驗證和集成電路工藝、封裝、測試等人才非常匱乏。因此，如何提高集成電路專業(yè)人才的數(shù)量和質(zhì)量已成為當(dāng)前國內(nèi)高校亟待完成的任務(wù)。

1 傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式剖析

2001年我國新增“集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)，2003年至2009年，我國在清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校分三批設(shè)立了20個大學(xué)集成電路人才培養(yǎng)基地，加上原有的“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)，目前，國內(nèi)已有近百所高校開設(shè)了微電子相關(guān)專業(yè)和實訓(xùn)基地，由此可見，國家對集成電路行業(yè)人才培養(yǎng)的高度重視。在新形勢下，集成電路相關(guān)專業(yè)的“重理論輕實踐”、“重教授輕自學(xué)輕互動” 的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式已不再適用。因此， 探索新的人才培養(yǎng)方式，改革集成電路設(shè)計類課程體系顯得尤為重要。

傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的“重理論、輕實踐”方面，可從課程教學(xué)學(xué)時安排上略見一斑。例如：某高?！澳M集成電路設(shè)計”課程，總學(xué)時為80，其中理論為64學(xué)時，實驗為16學(xué)時，理論與實驗學(xué)時比高達4∶1。由于受學(xué)時限制，實驗內(nèi)容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結(jié)構(gòu)，且實驗所涉及的電路結(jié)構(gòu)、器件尺寸和參數(shù)只能由授課教師直接給出，學(xué)生在有限的實驗學(xué)時內(nèi)僅完成電路的仿真驗證工作。由于缺失了根據(jù)所學(xué)理論動手設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，計算器件尺寸，以及通過仿真迭代優(yōu)化設(shè)計等環(huán)節(jié)，使得眾多應(yīng)屆畢業(yè)生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設(shè)計的能力。

“重教授、輕自學(xué)、輕互動”的傳統(tǒng)教學(xué)方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關(guān)注知識的傳授，忽略了發(fā)揮學(xué)生主動學(xué)習(xí)的主觀能動性，導(dǎo)致教師教得很累，學(xué)生學(xué)得無趣。

2 集成電路設(shè)計類課程體系改革探索和教學(xué)模式的改進

2014年“數(shù)字集成電路設(shè)計”課程被列入我校卓越課程的建設(shè)項目，以此為契機，卓越課程建設(shè)小組對集成電路設(shè)計類課程進行了探索性的“多維一體”的教學(xué)改革，運用多元化的教學(xué)組織形式，通過合作學(xué)習(xí)、小組討論、項目學(xué)習(xí)、課外實訓(xùn)等方式，營造開放、協(xié)作、自主的學(xué)習(xí)氛圍和批判性的學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.1 新型集成電路設(shè)計課程體系探索

由于統(tǒng)一的人才培養(yǎng)方案，造成了學(xué)生“學(xué)而不精”局面，培養(yǎng)出來的學(xué)生很難快速適應(yīng)企業(yè)的需求，往往企業(yè)還需追加6～12個月的實訓(xùn)，學(xué)生才能逐漸掌握專業(yè)技能，適應(yīng)工作崗位。因此，本卓越課程建設(shè)小組試圖根據(jù)差異化的人才培養(yǎng)目標(biāo)，探索新型集成電路設(shè)計類課程體系，重新規(guī)劃課程體系，突出課程的差異化設(shè)置。

集成電路設(shè)計類課程的差異化，即根據(jù)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開設(shè)不同的專業(yè)課程。比如，一些班級側(cè)重培養(yǎng)集成電路前端設(shè)計的高端人才，其開設(shè)的集成電路設(shè)計類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計、集成電路系統(tǒng)與芯片設(shè)計、模擬集成電路設(shè)計、射頻電路基礎(chǔ)、硬件描述語言與FPGA設(shè)計、集成電路EDA技術(shù)、集成電路工藝原理等；另外的幾個班級，則側(cè)重于集成電路后端設(shè)計的高端人才培養(yǎng)，其開設(shè)的集成電路設(shè)計類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計、CMOS模擬集成電路設(shè)計、版圖設(shè)計技術(shù)、集成電路工藝原理、集成電路CAD、集成電路封裝與集成電路測試等。

在多元化的培養(yǎng)模式中，加入實訓(xùn)環(huán)節(jié)，為期一年，設(shè)置在第七、八學(xué)期。學(xué)生可自由選擇，或留在學(xué)校參與教師團隊的項目進行實訓(xùn)，或進入企業(yè)實習(xí)，以此來提高學(xué)生的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)。

2.2 理論課課堂教學(xué)方式的改進

傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)方式主要“以教為主”，缺少了“以學(xué)為主”的互動環(huán)節(jié)和自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過增加以學(xué)生為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果。改進措施如下：

(1) 適當(dāng)降低精講學(xué)時。精講學(xué)時從以往的占課程總學(xué)時的75%～80%，降低為30%～40%，課程的重點和難點由主講教師精講，精講環(huán)節(jié)重在使學(xué)生掌握扎實的理論基礎(chǔ)。

(2) 增加課堂互動和自學(xué)學(xué)時。其學(xué)時由原來的占理論學(xué)時不到5%增至40%～50%。

(3) 采用多樣化課堂教學(xué)手段，包括團隊合作學(xué)習(xí)、課堂小組討論和自主學(xué)習(xí)等，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。比如，教師結(jié)合當(dāng)前本專業(yè)國內(nèi)外發(fā)展趨勢、研究熱點和實踐應(yīng)用等，將課程內(nèi)容凝練成幾個專題供學(xué)生進行小組討論，每小組人數(shù)控制在3～4人，課堂討論時間安排不低于課程總學(xué)時的30%[3]。專題內(nèi)容由學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式完成，小組成員在查閱大量的文獻資料后，撰寫報告，在課堂上與師生進行交流。

課堂理論教學(xué)方式的改進，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，使學(xué)生從被動接受變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，既活躍了課堂氣氛，也營造了自主、平等、開放的學(xué)習(xí)氛圍。

2.3 課程實驗環(huán)節(jié)的改進

為使學(xué)生盡快掌握集成電路設(shè)計經(jīng)驗，提高動手實踐能力，探索一種內(nèi)容合適、難度適中的集成電路設(shè)計實驗教學(xué)方法勢在必行。本課程建設(shè)小組將從以下幾個方面對課程實驗環(huán)節(jié)進行改進：

(1) 適當(dāng)提高教學(xué)實驗課時占課程總學(xué)時的比例，使理論和實驗學(xué)時的比例不高于2∶1。

(2) 增加課外實驗任務(wù)。除實驗學(xué)時內(nèi)必須完成的實驗外，教師可增設(shè)多個備選實驗供學(xué)生選擇。學(xué)生可在開放實驗室完成相關(guān)實驗內(nèi)容，為學(xué)生提供更多的自主思考和探索空間。

(3) 提升集成電路設(shè)計實驗室的軟、硬件環(huán)境。本專業(yè)通過申請實驗室改造經(jīng)費，已完成多個相關(guān)實驗室的軟、硬件升級換代。目前，實驗室配套完善的EDA輔助電路設(shè)計軟件，該系列軟件均為業(yè)界認(rèn)可且使用率較高的軟件。

(4) 統(tǒng)籌安排集成電路設(shè)計類課程群的教學(xué)實驗環(huán)節(jié)，力爭使課程群的實驗內(nèi)容覆蓋設(shè)計全流程。由于集成電路設(shè)計類課程多、覆蓋面大，且由不同教師進行授課，因此課程實驗分散，難以統(tǒng)一。本課程建設(shè)小組為了提高學(xué)生的動手能力和就業(yè)競爭力，全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排課程群內(nèi)的所有實驗，使學(xué)生對集成電路設(shè)計的全流程都有所了解。

3 工程案例教學(xué)法的應(yīng)用

為提升學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗，我們將工程案例教學(xué)法貫穿于整個課程群的理論、實驗和作業(yè)環(huán)節(jié)。下面以模擬集成電路中的典型模塊多級放大器的設(shè)計為例，對該教學(xué)方法在課程中的應(yīng)用進行詳細介紹。

3.1 精講環(huán)節(jié)

運算放大器是模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中一個完整而又重要的部分，從直流偏置的產(chǎn)生到高速放大或濾波，都離不開不同復(fù)雜程度的運算放大器。因此，掌握運算放大器知識是學(xué)生畢業(yè)后從事模擬集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)。

雖然多級運算放大器的電路規(guī)模不是很大，但是在設(shè)計過程中，需根據(jù)性能指標(biāo)，謹(jǐn)慎挑選運放結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計器件尺寸。運算放大器的性能指標(biāo)指導(dǎo)著設(shè)計的各個環(huán)節(jié)和幾個比較重要的設(shè)計參數(shù)，如開環(huán)增益、小信號帶寬、最大功率、輸出電壓(流)擺幅、相位裕度、共模抑制比、電源抑制比、轉(zhuǎn)換速率等。

由于運算放大器的設(shè)計指標(biāo)多，設(shè)計過程相對復(fù)雜，因此其工作原理、電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸的計算方法等，這部分內(nèi)容需要由主講教師精講，其教學(xué)內(nèi)容可以放在 “模擬集成電路設(shè)計”課程的理論學(xué)時里。

3.2 作業(yè)環(huán)節(jié)

課后作業(yè)不僅僅是課堂教學(xué)的鞏固，還應(yīng)是課程實驗的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。為了彌補缺失的學(xué)生自主設(shè)計環(huán)節(jié)，我們將電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計和器件尺寸、相關(guān)參數(shù)的手工計算過程放在作業(yè)環(huán)節(jié)中完成。這樣做既不占用寶貴的實驗學(xué)時，又提高了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。比如兩級運算放大器的設(shè)計和仿真實驗，運放的設(shè)計指標(biāo)為：直流增益>80 dB；單位增益帶寬>50 MHz；負(fù)載電容為2 pF；相位裕度>60°；共模電平為0.9 V(VDD=1.8 V)；差分輸出擺幅>±0.9 V；差分壓擺率>100 V/μs。在上機實驗之前，主講教師先將該運放的設(shè)計指標(biāo)布置在作業(yè)中，學(xué)生根據(jù)教師指定的設(shè)計參數(shù)完成兩級運放結(jié)構(gòu)選型及器件尺寸、參數(shù)的手工計算工作，仿真驗證和電路優(yōu)化工作在實驗學(xué)時或課外實訓(xùn)環(huán)節(jié)中完成。

3.3 實驗環(huán)節(jié)

在課程實驗中，學(xué)生使用EDA軟件平臺將作業(yè)中設(shè)計好的電路輸入并搭建相關(guān)仿真環(huán)境，進行仿真驗證工作。學(xué)生根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸，直至所設(shè)計的運算放大器滿足所有預(yù)設(shè)指標(biāo)。其教學(xué)內(nèi)容可放在“模擬集成電路設(shè)計”或“集成電路EDA技術(shù)”課程里[4]。

3.4 版圖設(shè)計環(huán)節(jié)

版圖是電路系統(tǒng)和集成電路工藝之間的橋梁，是集成電路設(shè)計不可或缺的重要環(huán)節(jié)。通過集成電路的版圖設(shè)計，可將立體的電路系統(tǒng)變?yōu)橐粋€二維的平面圖形，再經(jīng)過工藝加工還原為基于硅材料的立體結(jié)構(gòu)。

兩級運算放大器屬于模擬集成電路，其版圖設(shè)計不僅要滿足工藝廠商提供的設(shè)計規(guī)則，還應(yīng)考慮到模擬集成電路版圖設(shè)計的準(zhǔn)則，如匹配性、抗干擾性以及冗余設(shè)計等。其教學(xué)內(nèi)容可放在課程群中“版圖設(shè)計技術(shù)”的實驗環(huán)節(jié)完成。

通過理論環(huán)節(jié)、作業(yè)環(huán)節(jié)以及實驗的迭代仿真和版圖設(shè)計環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握模擬集成電路的前端設(shè)計到后端設(shè)計流程，以及相關(guān)EDA軟件的使用，具備了直接參與模擬集成電路設(shè)計的能力。

4 結(jié)語

集成電路設(shè)計類課程的改革，是新的嘗試和探索，其措施包括多元化人才培養(yǎng)模式、理論課課堂教學(xué)方式的改進、課程實驗環(huán)節(jié)的改進，以及工程案例教學(xué)法的應(yīng)用。本課程建設(shè)小組希望藉此來提高教學(xué)效果和質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的理論知識水平和實踐應(yīng)用能力，全面提升學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。

[1] 賽迪顧問股份有限公司. 2013年中國集成電路市場規(guī)模同比增長7.1%[J].中國集成電路，2014(5)：18-19.

[2] 2014中國半導(dǎo)體市場年會主題：增強產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，共促持續(xù)發(fā)展[J].集成電路應(yīng)用，2014(4)：7.

[3] 熊偉麗，徐穎秦，潘豐.自動控制原理卓越課程的建設(shè)與實踐[J].價值工程，2013(29)：213-214.

[4] 毛松. EDA實驗在數(shù)字集成電路設(shè)計課程中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程， 2012(9)：9009-9011.

Study on VLSI design curriculum

ZHAOLinna,YUZhiguo,LIANGHailian,YANDawei

(School of Internet of Things Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Based on the existing teaching mechanism, the group for the course construction have done a "multi-dimensional integrated" teaching reform on IC design curriculum. New system and teaching mode are proposed. Engineering case teaching method is applied throughout the theory, experiment and homework of the courses. Based on this, the students can master the front-end and back-end design flow of the integrated circuit.

integrated circuit design; microelectronics; course system; teaching mode

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2015.04.012

2015-05-06

江南大學(xué)2014年卓越課程建設(shè)項目(1255210232150090)

趙琳娜(1979— )，女，天津市人，講師，碩士，研究方向：大規(guī)模集成電路設(shè)計。

G 642

A

1671-7880(2015)04-0038-03