面向集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

董慧 李曉維

摘 要：文章通過(guò)以計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為例，介紹了面向計(jì)算機(jī)集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的課程體系建設(shè)及其特色，教材建設(shè)及教學(xué)成效，案例翔實(shí)。

關(guān)鍵詞：集成電路；質(zhì)量技術(shù)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：C961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）01-0018-03

Abstract： In this paper， we set the key state-owned computer constructional laboratory as an example， introduce the construction and characteristic of the talents training course in face of the technological innovation in computer integrated circuit field， as well as the construction of teaching material and teaching effect.

Keywords： integrated circuit； quality technology； innovative talents training

一、背景

集成電路芯片設(shè)計(jì)中的bug、制造中產(chǎn)生的故障、使用過(guò)程中的環(huán)境干擾和老化問(wèn)題，可能導(dǎo)致信息系統(tǒng)失效、造成經(jīng)濟(jì)損失甚至災(zāi)難性后果。在集成電路（IC）芯片廣泛應(yīng)用于電子信息系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量要求日益提高的大趨勢(shì)下，對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的完備和高效、芯片故障的快速可靠精確測(cè)試、芯片運(yùn)行時(shí)容錯(cuò)的需求越來(lái)越高。驗(yàn)證、測(cè)試和容錯(cuò)是數(shù)字IC質(zhì)量保障的主要技術(shù)手段。

中科院計(jì)算所在集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域有近四十年的科研積累，曾于二十世紀(jì)九十年代多次榮獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)獎(jiǎng)。2000年以來(lái)，隨著計(jì)算所多款芯片的研制成功，在包括驗(yàn)證、測(cè)試、容錯(cuò)等在內(nèi)的全生命周期集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域取得了豐碩的科研成果，培養(yǎng)鍛煉了一支活躍的教育教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)“中科院計(jì)算所測(cè)試與容錯(cuò)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”。

經(jīng)過(guò)十余年的努力，本教育教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合中科院計(jì)算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復(fù)處理器等）的全生命周期質(zhì)量技術(shù)問(wèn)題，建立了完整的課程體系，包括 3門(mén)核心課程、3門(mén)研討課程和 4門(mén)國(guó)際合作課程，在國(guó)內(nèi)外研究生教學(xué)機(jī)構(gòu)中都很少見(jiàn)。

二、教育教學(xué)實(shí)踐簡(jiǎn)介

由中科院計(jì)算所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)合作完成的“面向集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育教學(xué)實(shí)踐”成果，包含一個(gè)覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的完整的課程體系，包含10門(mén)課程，如下表所示。其中3門(mén)核心課程《VLSI測(cè)試與可測(cè)試性設(shè)計(jì)》、《集成電路驗(yàn)證》、《數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)設(shè)計(jì)》在國(guó)科大均有十余年科研教學(xué)實(shí)踐（如表1）。

教育教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)系統(tǒng)地講授集成電路質(zhì)量技術(shù)的核心課程、高級(jí)選修課程，使研究生掌握集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域堅(jiān)實(shí)寬廣的基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)深入的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，具有集成電路驗(yàn)證、測(cè)試、容錯(cuò)設(shè)計(jì)方向獨(dú)立從事科學(xué)研究工作、取得創(chuàng)新性研究成果的能力，并培養(yǎng)集成電路驗(yàn)證、測(cè)試、容錯(cuò)設(shè)計(jì)方向高級(jí)工程技術(shù)人員、服務(wù)于集成電路產(chǎn)業(yè)。

本教育教學(xué)實(shí)踐成果主要體現(xiàn)在下面三個(gè)方面：

1. 鍛煉了一支優(yōu)秀的教師隊(duì)伍：課程體系的全部教員（李曉維研究員、李華偉研究員、沈海華副教授、胡瑜研究員、韓銀和研究員等）均來(lái)自于科學(xué)研究工作的第一線——北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“中科院計(jì)算所測(cè)試與容錯(cuò)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”。主要教員2009年以來(lái)獲得：中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎(jiǎng) 4人次，中科院優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎(jiǎng) 1人次；國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng) 1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng) 1項(xiàng)、北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng) 1項(xiàng)、中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)質(zhì)量技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

2. 培養(yǎng)了卓有成效的創(chuàng)新人才：本團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的學(xué)生2009年來(lái)獲得中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng) 6人次，中科院優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng) 1人次，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng) 1人次，北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次。培養(yǎng)的博士生已有13位擔(dān)任副教授；1人擔(dān)任航天某所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號(hào)”飛船的容錯(cuò)控制計(jì)算機(jī)，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；培養(yǎng)的碩士生1人在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱(chēng)號(hào)。

3. 踐行了科教融合的教學(xué)實(shí)踐：（1）出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書(shū)，參與編寫(xiě)的英文教材被國(guó)際名校普遍采用；（2）依托中科院計(jì)算所集成電路實(shí)驗(yàn)室，教學(xué)內(nèi)容與教員承擔(dān)的科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)的學(xué)生在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學(xué)生競(jìng)賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請(qǐng)美國(guó)知名教授合作講授 4門(mén)研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國(guó)際一流學(xué)者的合作研究。2009年以來(lái)本團(tuán)隊(duì)學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

三、教育教學(xué)實(shí)踐特色

本教育教學(xué)實(shí)踐不僅能生動(dòng)形象地為學(xué)生詮釋集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本原理、基本方法，還給學(xué)生提供了工程開(kāi)發(fā)和技術(shù)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并將該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展引入課堂，解決了教學(xué)與科研脫節(jié)的問(wèn)題，促進(jìn)了學(xué)生進(jìn)一步在該領(lǐng)域從事前沿技術(shù)研究，做到了教育和科研的無(wú)縫銜接。

（一）出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書(shū)，參與編寫(xiě)的英文教材被國(guó)際名校普遍采用

授課教師根據(jù)多年的研究積累，完成了 4部中文著作——《數(shù)字集成電路測(cè)試優(yōu)化》、《數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證》、《低功耗集成電路》、《數(shù)字集成電路容錯(cuò)設(shè)計(jì)》，以及1部譯著《全面的功能驗(yàn)證：完整的工業(yè)流程》，作為這 3門(mén)課程的主要教材和教學(xué)參考書(shū)。

測(cè)試課程引進(jìn)國(guó)際專(zhuān)著《VLSI TEST PRINCIPLES AND ARCHITECTURES： Design for Testability》作為主要教材。首席教師李曉維研究員參與了該著作第 6章的撰寫(xiě)。驗(yàn)證課程引進(jìn)和翻譯了IBM資深驗(yàn)證工程師撰寫(xiě)的國(guó)際專(zhuān)著《全面的功能驗(yàn)證：完整的工業(yè)流程》作為研究生教材；容錯(cuò)課程引進(jìn)國(guó)際經(jīng)典著作《Reliability of Computer Systems and Networks： Fault Tolerance， Analysis， and Design》作為主要教材。上述教材有效保障了核心課程的教學(xué)內(nèi)容與國(guó)外先進(jìn)水平接軌。

此外，授課教師在引進(jìn)翻譯英文著作和撰寫(xiě)中文著作的過(guò)程中，對(duì)本領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語(yǔ)的中文翻譯進(jìn)行了認(rèn)真的校訂，促進(jìn)了學(xué)科的建設(shè)和國(guó)際前沿技術(shù)在國(guó)內(nèi)的傳播。

（二）依托中科院計(jì)算所集成電路實(shí)驗(yàn)室，教學(xué)內(nèi)容與科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力

《VLSI測(cè)試與可測(cè)試性設(shè)計(jì)》課程的科研實(shí)踐中，學(xué)生可使用一款異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片Godson-Dm，學(xué)習(xí)和實(shí)踐分布式與多路選擇器結(jié)合的測(cè)試訪問(wèn)機(jī)制設(shè)計(jì)?！都呻娐夫?yàn)證》課程的科研實(shí)踐中，學(xué)生可使用一款A(yù)RM v8處理器，進(jìn)行基于指令模板的通用處理器約束隨機(jī)指令生成，學(xué)習(xí)和實(shí)踐各種功能場(chǎng)景的驗(yàn)證?！稊?shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)設(shè)計(jì)》課程的科研實(shí)踐中，學(xué)生可使用一款自修復(fù)處理器SRP，學(xué)習(xí)和實(shí)踐利用SRP搭建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)上述課程的學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。培養(yǎng)的博士生鄢貴海在IEEE ATS'10上獲得博士論文競(jìng)賽冠軍、在IEEE ITC'11上獲得TTTC國(guó)際博士論文競(jìng)賽亞軍；博士生王穎在IEEE DAC'16上獲得國(guó)際低功耗圖像識(shí)別競(jìng)賽冠軍。

（三）聘請(qǐng)美國(guó)知名教授合作講授4門(mén)研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國(guó)際一流學(xué)者的合作研究

為了加強(qiáng)教學(xué)和教育的國(guó)際交流，授課教師持續(xù)邀請(qǐng)國(guó)際著名高校的教授和專(zhuān)家來(lái)訪并講授研究生課程，代表性課程包括：1.為美國(guó)UCSB大學(xué)Kwang-Ting Cheng教授（IEEE Fellow）申請(qǐng)中科院多學(xué)科交叉研究專(zhuān)項(xiàng)，在2012年3月-9月期間來(lái)訪，開(kāi)設(shè)研究生課程《高通量計(jì)算系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與測(cè)試》； 2.邀請(qǐng)美國(guó)UT Austin大學(xué)Jacob Abraham教授（IEEE Fellow）來(lái)計(jì)算所短期國(guó)際合作，在2013年6月講授研究生課程《VLSI Testing and Design Verification》；3.聘請(qǐng)美國(guó)麻省大學(xué)Sandip Kundu教授（IEEE Fellow）為中科院外國(guó)專(zhuān)家特聘研究員，在2014年3月-4月講授研究生課程《Design for Manufacturability and Reliability of VLSI Circuits》；4.承辦龍星計(jì)劃課程——“高性能數(shù)字系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證”（2016年9月），由美國(guó)波特蘭州立大學(xué)Xiaoyu Song教授講授。

這些課程的開(kāi)設(shè)，促進(jìn)了課程體系的國(guó)際交流、改進(jìn)和完善，給選課學(xué)生提供了豐富的科研視野，為研究選題、創(chuàng)新思路和實(shí)驗(yàn)方法提供了深入的指導(dǎo)。學(xué)生與Kwang-Ting Cheng教授合作的研究論文2014年在IEEE Trans. VLSI System發(fā)表，與Sandip Kundu教授合作的研究論文2016年在IEEE Trans. CAD發(fā)表。

2009年來(lái)本團(tuán)隊(duì)學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

四、教育教學(xué)實(shí)踐成效

“面向集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育教學(xué)實(shí)踐”形成了一個(gè)覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的完整的課程體系，僅在中科院研究生院/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)選修上述課程的研究生就有一千多人。

（一）推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外高校集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域研究生課程的開(kāi)設(shè)

參與本課程體系學(xué)習(xí)的學(xué)生畢業(yè)后使用相同的教材和課件，在同濟(jì)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)、江南大學(xué)等開(kāi)設(shè)了同類(lèi)研究生課程，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。參與編寫(xiě)的英文教材被美國(guó)斯坦福、UCSB、UCSD、UT Austin、麻省大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、日本九州工業(yè)大學(xué)等十幾所國(guó)際知名高校采用。

（二）培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)界優(yōu)秀人才及多名集成電路業(yè)界領(lǐng)軍人才

本團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的學(xué)生2009年來(lái)獲得中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng) 6人次（付斌章、胡杏、黃柯衡、鄢貴海、葉靖、周艷紅），中科院優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng) 1人次（鄢貴海），中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng) 1人次（鄢貴海），北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次（董建波、馬君、周君）。培養(yǎng)的博士生已有13位任職副教授（張磊、鄢貴海、李佳、王達(dá)、付斌章、安竹林、張穎、付祥、裴頌偉、高建良、靳松、劉軍、許達(dá)文）。

修課學(xué)生劉波現(xiàn)任航天二院502所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號(hào)”飛船的容錯(cuò)控制計(jì)算機(jī)，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

培養(yǎng)的碩士生張飛飛在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，于2013年創(chuàng)立江蘇邦融微電子有限公司，擔(dān)任總經(jīng)理，主營(yíng)安全類(lèi)芯片-指紋識(shí)別芯片和指紋識(shí)別模組，榮獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱(chēng)號(hào)。

（三）在教育教學(xué)實(shí)踐中打造了一支優(yōu)秀的教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)

本教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的全部教員（李曉維、李華偉、沈海華、胡瑜、韓銀和等）均來(lái)自于科學(xué)研究工作的第一線。團(tuán)隊(duì)成員先后獲得中國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)質(zhì)量技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2011）、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（2012）、北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2014）、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（2015）。李曉維領(lǐng)銜的“中科院計(jì)算所測(cè)試與容錯(cuò)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”入選2014年度“科技北京”百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程。

李曉維獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎(jiǎng)（2009和2016）、中科院優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎(jiǎng)（2012）、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文導(dǎo)師獎(jiǎng)（2012）；李華偉獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎(jiǎng)（2012）；胡瑜獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎(jiǎng)（2013）。

五、結(jié)束語(yǔ)

本教育教學(xué)實(shí)踐成果形成了覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的課程體系，培養(yǎng)了卓有成效的創(chuàng)新人才，踐行了科教融合的教學(xué)實(shí)踐。

覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的課程體系：結(jié)合中科院計(jì)算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復(fù)處理器等）的全生命周期質(zhì)量技術(shù)問(wèn)題，建立了完整的課程體系，包括3門(mén)核心課程、3門(mén)研討課程和4門(mén)國(guó)際合作課程，在國(guó)內(nèi)外研究生教學(xué)機(jī)構(gòu)中都很少見(jiàn)。其中3門(mén)核心課程《VLSI測(cè)試與可測(cè)試性設(shè)計(jì)》、《集成電路驗(yàn)證》、《數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)設(shè)計(jì)》均有十余年教育教學(xué)實(shí)踐。

卓有成效的創(chuàng)新人才培養(yǎng)：本團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的學(xué)生2009年來(lái)獲得中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng) 6人次，中科院優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng) 1人次，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng) 1人次，北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次。培養(yǎng)的博士生已有13位擔(dān)任副教授；1人擔(dān)任航天某所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號(hào)”飛船的容錯(cuò)控制計(jì)算機(jī)，獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；培養(yǎng)的碩士生1人在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱(chēng)號(hào)。

科教融合的教學(xué)實(shí)踐：（1）出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書(shū)，參與編寫(xiě)的英文教材被國(guó)際名校普遍采用；（2）依托于中科院計(jì)算所集成電路實(shí)驗(yàn)室、國(guó)科大計(jì)控學(xué)院智能硬件及硬件安全實(shí)驗(yàn)室（基礎(chǔ)EDA工具平臺(tái)、FPGA仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境等），教學(xué)內(nèi)容與教員承擔(dān)的科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)的學(xué)生在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學(xué)生競(jìng)賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請(qǐng)美國(guó)知名教授合作講授4門(mén)研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國(guó)際一流學(xué)者的合作研究。2009年以來(lái)本團(tuán)隊(duì)學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

經(jīng)過(guò)八年來(lái)的建設(shè)，我們?cè)谂囵B(yǎng)集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的同時(shí)，造就出一支年齡結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、學(xué)術(shù)造詣高的集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域核心課程教師隊(duì)伍，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，取得了豐碩的成果。我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐等方面，堅(jiān)持改革和創(chuàng)新，及時(shí)將科研活動(dòng)中取得的最新成果融入教學(xué)中，促進(jìn)了教學(xué)水平的不斷提高，保證了課程體系建設(shè)始終處于國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。

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