高校集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的思考

張長(zhǎng)春

（南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京，210023）

高校集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的思考

張長(zhǎng)春

（南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京，210023）

適逢我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅(jiān)期，高校應(yīng)該不辱使命，積極地推進(jìn)集成電路相關(guān)教學(xué)的完善和革新，為集成電路產(chǎn)業(yè)輸送所需的高素質(zhì)人才。本文從集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的課程體系、授課內(nèi)容等幾個(gè)方面進(jìn)行了深入的探討，并結(jié)合自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和思索，給出了一些建議。

集成電路設(shè)計(jì)，課程，教學(xué)，產(chǎn)業(yè)

高校專業(yè)及課程的設(shè)置應(yīng)該與社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)，才能更好地發(fā)揮學(xué)校的功能，源源不斷地為相關(guān)產(chǎn)業(yè)輸送所需的人才，推動(dòng)社會(huì)快速地發(fā)展?！秶?guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》明確指出：“集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前和今后一段時(shí)期是我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅(jiān)期?！币虼?，高校有必要加大集成電路相關(guān)專業(yè)及課程的改革力度，以滿足國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

0 引言

1 集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的重要性

雖然改革開放以來，我們國(guó)家在幾乎各個(gè)領(lǐng)域都取得了舉世矚目的成就，甚至很多高技術(shù)電子產(chǎn)品也都可以自主研發(fā)。但是事實(shí)上，由于我們自己不能自主設(shè)計(jì)制造作為核心技術(shù)的集成電路，必須從國(guó)外購(gòu)買，所以一方面給我們的國(guó)防、關(guān)鍵基礎(chǔ)行業(yè)等增加了不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也使我們相關(guān)產(chǎn)業(yè)的公司利潤(rùn)極低，極大地制約了其發(fā)展。

1999年從德國(guó)學(xué)成歸來的王志功教授起草了《關(guān)于國(guó)家設(shè)立集成電路設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)專項(xiàng)基金，開展中國(guó)芯片工程的建議》，呈送給中央相關(guān)部委，得到了李嵐清副總理等中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，進(jìn)而制定了正確的發(fā)展戰(zhàn)略，從而使我國(guó)在集成電路領(lǐng)域掀起一輪研究熱潮。經(jīng)過十余年的發(fā)展、積累，我國(guó)集成電路相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善，且培養(yǎng)了大批具有相關(guān)知識(shí)背景的高素質(zhì)人才。

隨后，國(guó)家也在政策資金等方面，不失時(shí)機(jī)地給以引導(dǎo)培育?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》、《電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中強(qiáng)調(diào)了要大力發(fā)展集成電路。尤其，在2014年6月工業(yè)和信息化部公布了《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，并隨后設(shè)立了“國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”。

圖1 集成電路相關(guān)課程簡(jiǎn)略關(guān)系

高校肩負(fù)著為社會(huì)輸送所需的高素質(zhì)人才的使命，因此為了配合國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大戰(zhàn)略，高校應(yīng)該及時(shí)了解集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才素質(zhì)的需求變化，不斷審查、完善、革新集成電路相關(guān)的課程及教學(xué)。

2 集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程配置的協(xié)調(diào)性

無生產(chǎn)線設(shè)計(jì)模式稱為大陸集成電路產(chǎn)業(yè)的基本模式，更具體地講，當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)主要分為設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，相應(yīng)地，高校就應(yīng)該設(shè)立相應(yīng)的專業(yè)方向及課程，使學(xué)生能夠掌握相應(yīng)的專業(yè)技能，以便于畢業(yè)后能夠勝任相關(guān)領(lǐng)域的工作。

然而，作為一個(gè)大學(xué)生來講，由于大學(xué)期間課程學(xué)時(shí)有限，不可能僅僅通過課堂的學(xué)習(xí)掌握所有知識(shí)，所以應(yīng)該有針對(duì)性地、系統(tǒng)地協(xié)調(diào)相關(guān)課程的學(xué)期安排及課程類型安排，一方面要保證每一方向課程體系的完整連貫性，另一方面又能給學(xué)生以足夠的自由選修其它的相關(guān)方向的課程。

比如，大一可以安排認(rèn)知實(shí)習(xí)或相關(guān)課程，通過深入淺出的講解，可以讓學(xué)生對(duì)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈及技術(shù)鏈有一個(gè)宏觀的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，也利于學(xué)生有目的性地選擇感興趣的、想深入學(xué)習(xí)研究的專業(yè)方向及其所需的相應(yīng)課程；大二、大三則應(yīng)該安排一些專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)選修課，一方面要考慮到覆蓋面、保證每個(gè)方向的課程完整性，另一方面要確保課程安排的順序正確，課程類型合適；大四可以安排方向性更強(qiáng)的專業(yè)限選課及畢業(yè)設(shè)計(jì)。

集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試又是密不可分的，王志功教授認(rèn)為一個(gè)合格的集成電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備系統(tǒng)、電路、器件、工藝及工具幾個(gè)方面的知識(shí)。下面我們主要從具有代表性的集成電路設(shè)計(jì)角度來討論。具體到特定高校，特別是集成電路相關(guān)專業(yè)開設(shè)時(shí)間不長(zhǎng)的高校，由于學(xué)科及課程設(shè)置的歷史原因以及集成電路相關(guān)師資力量、實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)需要時(shí)間周期較長(zhǎng)，所以不可能一蹴而就地開設(shè)所有相關(guān)的課程。通常，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)專業(yè)比較強(qiáng)的院系課程會(huì)偏重系統(tǒng)、電路以及工具等，而傳統(tǒng)微電子專業(yè)比較強(qiáng)的院系則課程會(huì)更偏重工藝、器件、電路及工具等。總而言之，電路及其設(shè)計(jì)工具是集成電路設(shè)計(jì)的核心知識(shí)，因此我們也將以其為核心來討論，兼顧一下其它相關(guān)的課程。

3 集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的實(shí)施建議

從目前大學(xué)本科教育來看，集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的課程大體可以分為三類：模擬集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件的開發(fā)。至于射頻/微波集成電路設(shè)計(jì)、光纖/超高速集成電路設(shè)計(jì)以及功率集成電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程及工具基本類同于模擬集成電路設(shè)計(jì)，但需要更專的專業(yè)知識(shí)，比較適合作為大四的專業(yè)限選課，甚至研究生的專業(yè)課程。

麻城隸屬湖北省，是黃岡市下轄的縣級(jí)市，位于長(zhǎng)江中游北岸的大別山中段南麓，鄂豫皖三省交界處。麻城奇山秀水，花色似錦，“人間四月天，麻城看杜鵑”，杜鵑花海蔚為壯觀，麻城同樣也是革命老區(qū)，是紅四方面軍和紅二十五軍、紅二十八軍的發(fā)源地。

圖1給出了集成電路相關(guān)課程的簡(jiǎn)略關(guān)系。ARM/DSP/單片機(jī)等嵌入式設(shè)計(jì)雖然傳統(tǒng)上不被包括進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)的范疇，但是兩者存在很大相關(guān)性，且目前很多CPLD/FPGA器件中也包含各種類型可配置的處理器核，因此在也把嵌入式開發(fā)加了進(jìn)去。

需要說明的是，圖1所示的課程名在不同學(xué)校的可能有不同的叫法，其實(shí)即使名稱相同的課程所講授的內(nèi)容也可能不盡相同，甚至大相徑庭。

模擬集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程在各高校應(yīng)該差異不大，一般都是先開設(shè)了模擬電路設(shè)計(jì)，然后再開模擬集成電路設(shè)計(jì)，當(dāng)然通常都是CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)。

關(guān)于數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，雖然可能各高校的課程名甚至教材名稱也很相近，但課程或教材講授的內(nèi)容卻可能差別很大，有些偏重于底層電路邏輯，有些偏重于上層硬件描述語(yǔ)言，還有些可能偏重于EDA工具的使用。如果從產(chǎn)業(yè)對(duì)數(shù)字集成電路人才需求的角度來看，由于數(shù)字集成電路自動(dòng)化程度很高，除了標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)或光纖/超高速集成電路等特殊設(shè)計(jì)外，基本上都是靠硬件描述語(yǔ)言甚至更高級(jí)的語(yǔ)言通過自動(dòng)化綜合一步一步實(shí)現(xiàn)的，很少直接接觸到底層的邏輯實(shí)現(xiàn)，所本科數(shù)字集成電路教學(xué)應(yīng)該偏重實(shí)用的硬件描述語(yǔ)言和自動(dòng)化設(shè)計(jì)原理及工具，以適應(yīng)EDA技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)的需求。

關(guān)于CPLD/FPGA可編程邏輯器件的開發(fā)，實(shí)際上其前端流程與基于標(biāo)準(zhǔn)單元的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的前端流程基本相同，所以相關(guān)課程可以共享，而對(duì)于后端設(shè)計(jì)則差異較大，不過從所需知識(shí)來講，數(shù)字集成電路后端步驟更全面，CPLD/FPGA器件的后端開發(fā)相當(dāng)于前者的有限簡(jiǎn)化。通常在開發(fā)數(shù)字集成電路時(shí)，也經(jīng)常采用CPLD/FPGA器件來驗(yàn)證。

集成電路與CAD課程其實(shí)是與模擬集成集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)相配套的仿真工具相關(guān)的理論及實(shí)踐課程，講解集成電路電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程及每個(gè)步驟的作用及原理；講授集成電路相關(guān)的描述語(yǔ)言比如模擬集成電路的SPICE語(yǔ)言，數(shù)字集成電路的Verilog/ VHDL語(yǔ)言；讓學(xué)生熟悉常用軟件，如Cadence、Synopsys公司集成電路設(shè)計(jì)軟件的操作；能用這些工具仿真驗(yàn)證模擬集成集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)理論課程所講授的電路理論，或者可以利用EDA工具結(jié)合所學(xué)到的集成電路理論，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的集成電路，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。

總而言之，個(gè)人認(rèn)為集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程教學(xué)要注意以下幾點(diǎn)：

1）注意課程體系設(shè)置的協(xié)調(diào)性。一方面要避免知識(shí)體系彼此斷裂，另一方面也要避免不同的課程所講授的內(nèi)容重疊過多。當(dāng)然適度的內(nèi)容交叉有利于課程之間的銜接，且如果課程有涉及較多相同內(nèi)容的話，也可以在內(nèi)容難度上拉開差距。

2）要注意理論課程與實(shí)踐課程的結(jié)合。集成電路設(shè)計(jì)的工程性極強(qiáng)，一方面要注意理論學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性與實(shí)用性，另一方面理論必須與實(shí)踐結(jié)合才不至于僵化變成死知識(shí)。當(dāng)然由于流片成本很高、周期很長(zhǎng)，所以這里的實(shí)踐更多指的是仿真驗(yàn)證。

3）要及時(shí)更新教材及授課內(nèi)容。雖然電路的基本理論大體已經(jīng)成熟，但是由于集成電路工藝以及工具發(fā)展日新月異，所以授課的內(nèi)容就應(yīng)該緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。比如，目前從C語(yǔ)言到Verilog語(yǔ)言的高級(jí)綜合已經(jīng)成熟并市場(chǎng)化，那么課堂教學(xué)就應(yīng)該包括這些內(nèi)容。

4）鼓勵(lì)學(xué)生假期去實(shí)習(xí)或參加研究生的科研項(xiàng)目。

4 小結(jié)

我國(guó)正處在集成電路發(fā)展的黃金時(shí)期，高校應(yīng)該把握時(shí)機(jī)加大集成電路師資力量和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的投入，努力優(yōu)化集成電路相關(guān)的課程體系、積極更新授課內(nèi)容以滿足日新月異的集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。集成電路設(shè)計(jì)在整體集成電路相關(guān)的幾個(gè)方向中占據(jù)著重要的地位，本文深入探討了集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的課程設(shè)置及授課內(nèi)容等相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐及思考給出了建議。

圖2-1 實(shí)物圖

圖2-2 MCU的LED燈亮?xí)r波形

圖3-1v字符打印前

圖3-2 實(shí)現(xiàn)字符打印

圖3字符打印的實(shí)現(xiàn)

圖3為字符打印，基本實(shí)現(xiàn)任意數(shù)字、字母、漢字的輸出。

[1]郝永興.通用熱敏智能打印控制系統(tǒng)研究.碩士論文，北京:北京工業(yè)大學(xué)，1998，38-39.

[2]吳友字，余翔．基于飛思卡爾單片機(jī)的微型熱敏打印機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．國(guó)外電子元器件，2006，(7)：4^6．[12]《集成電路特性代換手冊(cè)》編譯組．最新A．D／D．A轉(zhuǎn)換lC特性代換手冊(cè)．福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社出版社，2001，5~9

[3]ARM、單片機(jī)開發(fā)網(wǎng)http://www.cz-mcu.com

[4]葉凱，楊文淑，包啟亮.基于ARM的除法運(yùn)算優(yōu)化策略.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，(3):78-80.

[5] GT23L24M1W標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)陣漢字字庫(kù)芯片手冊(cè)[S].Genitop Corp,2008.06

IC design-related colleges and universities teaching

Zhang Changchun
（Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Jiangsu Nanjing,210023）

China's IC industry development falls into the period of strategic opportunities and crucial period, universities should fulfill the mission, actively promote the improvement of IC-related teaching and innovation, deliver the desired high-quality personnel for the integrated circuit industry. This design-related aspects of curriculum, course content, etc. from IC-depth discussion, and combined with his years of teaching experience and think, gives some advice.

IC design, curriculum, teaching, industry

TN710

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南京郵電大學(xué)教改基金（JG03314JX18）支持