CMOS集成電路課程教學(xué)的探討與實(shí)踐

賀 旭，鄧全利

（湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引 言

集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，是關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的全局戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。近年來，智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、3G通信、汽車電子、工業(yè)控制、儀器儀表、信息安全、醫(yī)療電子等市場(chǎng)快速發(fā)展，極大地帶動(dòng)了集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的快速成長(zhǎng)。CMOS集成電路因具有低功耗、大噪聲容限、易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，一直在RAM、CPU、DSP及ASIC等方面廣泛應(yīng)用。在這樣的大環(huán)境下，高校計(jì)算機(jī)專業(yè)也開設(shè)了CMOS集成電路課程。

CMOS集成電路作為計(jì)算機(jī)智能專業(yè)的限選課程，使學(xué)生了解CMOS集成電路基礎(chǔ)原理及分析和設(shè)計(jì)方法，初步熟悉集成電路的設(shè)計(jì)流程，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)寬當(dāng)前芯片產(chǎn)業(yè)鏈、先進(jìn)EDA工具、AI芯片等知識(shí)面。

教學(xué)采用“大班授課+小班討論”的教學(xué)模式，以及“做中學(xué)”的教育理念[1]。區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)以教師為主導(dǎo)的方式，本課程以學(xué)生為中心，針對(duì)計(jì)算機(jī)智能專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，采用多種教學(xué)手段，讓學(xué)生更加主動(dòng)地學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和調(diào)研。

1 教學(xué)中存在的問題

CMOS集成電路課程是面向計(jì)算機(jī)智能專業(yè)學(xué)生的限選課，安排在大三上學(xué)期。這些專業(yè)的學(xué)生都先修了計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)字邏輯等課程，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)有一定了解[2]。但因?yàn)閷I(yè)培養(yǎng)目標(biāo)更偏向于計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在硬件設(shè)計(jì)上的實(shí)踐訓(xùn)練要求不像電子或通信專業(yè)那樣深入，主要目標(biāo)是讓學(xué)生掌握CMOS電路的原理和分析方法，從而更好地利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需功能。

與計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心編程課程相比，CMOS集成電路課程在知識(shí)趣味性和學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力方面都有所不同，主要存在以下問題[3-10]。

（1）缺乏靈活性：即使目前課程早已采用多媒體教學(xué)，但本質(zhì)上還是教師課堂授課，學(xué)生被動(dòng)聽課。CMOS集成電路不是易于上機(jī)實(shí)踐、操作性強(qiáng)的課程，課堂授課方式單一，理論性教學(xué)枯燥無味，影響授課效果。

（2）缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)：CMOS集成電路的所有內(nèi)容都離不開實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅僅在一個(gè)學(xué)期的時(shí)間內(nèi)把大量理論知識(shí)灌輸給學(xué)生，而沒有相應(yīng)的實(shí)踐手段加以輔助，只通過習(xí)題和考試的方式，很難使學(xué)生消化知識(shí)。

（3）考核方法單一：計(jì)算機(jī)專業(yè)是基于動(dòng)手上機(jī)和實(shí)驗(yàn)的工科專業(yè)，僅通過考試考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握是很片面的，學(xué)生容易通過死記硬背應(yīng)付考試，考試一過就忘記所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。在碰到具體硬件問題時(shí)無從下手，會(huì)失去開設(shè)集成電路課程的意義。

2 教學(xué)手段和內(nèi)容

為了讓學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，課堂教學(xué)可以先拋出問題，再引導(dǎo)學(xué)生思考調(diào)研，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)討論。

課程的教學(xué)方式分為以下3種。

（1）理論教學(xué)：要求在對(duì)CMOS器件和連線特性做簡(jiǎn)要介紹后，深入分析CMOS靜態(tài)電路和動(dòng)態(tài)電路的特點(diǎn)，內(nèi)容包括反相器及其他基本單元門電路的設(shè)計(jì)、傳輸門、多米諾電路、雙穩(wěn)態(tài)電路等，并逐步將這些知識(shí)延伸到存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)、組合邏輯電路CPU的設(shè)計(jì)等。此外還會(huì)涵蓋集成電路的設(shè)計(jì)與制作過程的淺顯介紹，讓學(xué)生對(duì)芯片硬件設(shè)計(jì)有更加深入的了解。

（2）課程實(shí)驗(yàn)：利用HSpice、Avanwaves等EDA工具，對(duì)教學(xué)中的電路進(jìn)行仿真分析和波形查看，深化對(duì)理論知識(shí)的了解，包括MOS晶體管的電壓電流特性、反相器特性和振蕩器仿真、單元門電路設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器和全加器的設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（3）小班討論：根據(jù)理論教學(xué)進(jìn)度，安排學(xué)生做課外調(diào)研討論，內(nèi)容既有教學(xué)的難點(diǎn)（如反相器的原理和應(yīng)用、雙穩(wěn)態(tài)工作原理等），也有當(dāng)前芯片發(fā)展的熱點(diǎn)（如后摩爾時(shí)代、AI芯片、Xilinx FPAG設(shè)計(jì)工具Vivado HLS等）。

評(píng)估包括理論課程期中期末考試、課程實(shí)驗(yàn)、平時(shí)作業(yè)及討論課多個(gè)部分。

以上3種教學(xué)方式，并不是CMOS集成電路特有的，如何將這3種教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合在集成電路課程中，本文在第3章的案例中進(jìn)行介紹。

3 教學(xué)案例分析

以反相器的原理和應(yīng)用這一主題為例，進(jìn)行案例介紹。

反相器傳統(tǒng)的功能就是邏輯取反，CMOS電路采用一個(gè)NMOS作為下拉電路，一個(gè)PMOS作為上拉電路即可，這是反相器最表層知識(shí)。為了深入講解反相器，本課程采用引導(dǎo)方式教學(xué)，具體的實(shí)施過程和不同過程的關(guān)聯(lián)見圖1。

預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)：讓學(xué)生未學(xué)習(xí)或僅學(xué)習(xí)反相器最表層知識(shí)后，開展一次小班主題討論，每個(gè)班5名左右學(xué)生，每次15～20分鐘，每人就反相器的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研，包括但不局限邏輯取反、輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)電路、緩沖器（buffer，電路連線中兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)減少線長(zhǎng)時(shí)延）、反相器級(jí)聯(lián)放大信號(hào)等用途。這樣，不僅大大擴(kuò)寬學(xué)生對(duì)所學(xué)反相器的了解，還可以引導(dǎo)他們探索為什么反相器有這些用途。

授課環(huán)節(jié)：在小班主題討論之后，課堂授課可以就反相器的原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行全面講解，對(duì)討論課中學(xué)生沒有回答清楚或回答不全面的各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)強(qiáng)化。例如，圖2（a）是反相器的直流電壓傳輸曲線，通過分段函數(shù)的方式推導(dǎo)出來，其中可以看出輸入Vin的電壓在0～VTN范圍內(nèi)，Vout都處于VDD，同理在Vin的電壓在VDD+VTP～VDD范圍內(nèi)，Vout都處于0V。這就很好地解釋了為什么反相器可以對(duì)不標(biāo)準(zhǔn)的輸入做到輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓這個(gè)用途。

圖2 反相器授課環(huán)節(jié)舉例

實(shí)踐環(huán)節(jié)：深化反相器時(shí)延模型。在課程授課時(shí)，對(duì)反相器時(shí)延的分析，正比于反相器的負(fù)載電容CL以及反相器自身MOS晶體管Ro（一般根據(jù)NMOS和PMOS的導(dǎo)電因子、閾值電壓計(jì)算）。但這個(gè)理論知識(shí)課程講解很空泛，為了讓學(xué)生更好地熟悉RC時(shí)延公式，實(shí)驗(yàn)中讓他們采用HSpice軟件進(jìn)行反相器時(shí)延仿真，包括對(duì)稱/非對(duì)稱反相器分析、反相器NMOS，PMOS寬長(zhǎng)比W/L的設(shè)計(jì)、振蕩器周期分析等。圖3為反相器部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容舉例。

在講解反相器的過程中，還會(huì)提出一些教材沒有的問題讓學(xué)生思考，比如早期CMOS沒有大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，多采用單溝道技術(shù)（只用一種晶體管，要么NMOS，要么PMOS），那么只有NMOS構(gòu)成的反相器是什么樣的？課堂和課后并沒有給出答案，讓學(xué)生自己搜索資料，解開謎團(tuán)。雖然只有少數(shù)學(xué)生解開答案，但讓大多數(shù)人對(duì)半個(gè)多世紀(jì)前集成電路歷史有了更多認(rèn)識(shí)。

圖3 反相器實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)舉例

4 教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

4.1 總體情況

筆者在2017-2018年課程中采用了上述教學(xué)方案，發(fā)現(xiàn)學(xué)生們的積極性和探索性有所改進(jìn)，每次課后都有學(xué)生主動(dòng)提出問題，這是CMOS電路理論教學(xué)針對(duì)智能專業(yè)學(xué)生教學(xué)的進(jìn)步。因?yàn)橐酝n程中，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生多會(huì)直接反饋聽不懂，也沒有興趣再深究具體哪個(gè)電路知識(shí)聽不懂。目前的方法使學(xué)生有問題就主動(dòng)提，說明大部分聽課的學(xué)生隨著課堂講解思考。

4.2 課程建設(shè)

本課程除了應(yīng)用多手段的教學(xué)模式外，拋棄以往版書化的多媒體PPT課件，所有課件均采用動(dòng)畫的形式展現(xiàn)。舉例：PN 結(jié)形成過程，圖4使用動(dòng)畫表現(xiàn)PN結(jié)形成過程，學(xué)生就容易接受了。

此外，為了方便學(xué)生線下學(xué)習(xí)，課程網(wǎng)址不僅涵蓋課件、習(xí)題講解，還有課程調(diào)研主題和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。針對(duì)有些學(xué)生做演講不夠?qū)I(yè)的現(xiàn)象，設(shè)立正反例演講制作規(guī)范，網(wǎng)站還會(huì)公開以往優(yōu)秀調(diào)研來鼓勵(lì)學(xué)生，達(dá)到良性循環(huán)。

5 結(jié) 語

作為計(jì)算機(jī)智能專業(yè)的限選課程，CMOS集成電路不僅是對(duì)專業(yè)核心課計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)字邏輯等課程的硬件實(shí)現(xiàn)，也是芯片設(shè)計(jì)以至當(dāng)前熱點(diǎn)AI芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。為了讓智能專業(yè)的學(xué)生更主動(dòng)有效學(xué)習(xí)，本課程采用小班討論的方式讓學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)調(diào)研，課堂授課解答調(diào)研，實(shí)驗(yàn)課程驗(yàn)證理論等多種方式，跳出傳統(tǒng)理論考試的誤區(qū)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)、積極思考、敢于探究。

圖4 PN結(jié)的形成過程動(dòng)畫截圖