電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路實驗教學(xué)改革

李祺 師建英 閆小兵

摘 要 集成電路系列實驗是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路方向的核心實驗課程。通過與其他高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程的對比，提出普通高校在課程設(shè)置、內(nèi)容深度及實驗項目上存在的問題。從硬件配置、軟件購買、教學(xué)方法、課外學(xué)習(xí)平臺及參加集成電路設(shè)計大賽等方面闡述進行教學(xué)改革的方法。

關(guān)鍵詞 集成電路實驗;電子科學(xué)與技術(shù);教學(xué)改革;EDA

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）08-0119-03

Reformation of Integrated Circuit Experiments of Electronic Science and Technology Specialty//LI Qi， SHI Jianying， YAN Xiaobing

Abstract Series experiments of integrated circuit are the core experi-

mental courses of Electronic Science and technology specialty. Com-

pared with the similar courses of the other universities， the problems such as the curriculum setting， content depth and experimental pro-jects are proposed. The following aspects as hardware configuration， software purchase， teaching method， extracurricular learning plat-form and taking part in the integrated circuit design contest can be used to carry out teaching reform.

Key words integrated circuit experiment; electronic science and technology; teaching reform; EDA

1 引言

集成電路設(shè)計能力的培養(yǎng)是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路設(shè)計方向人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。集成電路在日常生活中到處可見，自從1959年德州儀器公司的杰克·基爾比提出世界上第一塊集成電路原型之后，集成電路芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于教學(xué)、民用、商用、工業(yè)及軍事等領(lǐng)域，成為推動電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐力量。

我國的集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚，產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)計軟件和關(guān)鍵技術(shù)也相對落后。從2000年起，我國開始陸續(xù)發(fā)布各項有利于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策。2011年2月，國務(wù)院印發(fā)4號文件《國務(wù)院關(guān)于進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》，提出集成電業(yè)產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，要繼續(xù)完善措施，明確政策導(dǎo)向，增強科技創(chuàng)新能力，提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平。2014年6月，國務(wù)院發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，明確提出重點支持集成電路制造領(lǐng)域。

為了適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及企業(yè)對集成電路設(shè)計人才的需求，教育部2003年下發(fā)的2號文件《教育部、科技部關(guān)于批準有關(guān)高校建設(shè)國家集成電路人才培養(yǎng)基地的通知》提出，要為企業(yè)培養(yǎng)高水平實用化的集成電路設(shè)計人才。

現(xiàn)階段，大學(xué)生就業(yè)已經(jīng)成為一個全民關(guān)注的社會問題[1]。高等學(xué)校在集成電路設(shè)計、制造和生產(chǎn)等方面的人才培養(yǎng)過程中，不僅要重視理論知識的講授，更要注重學(xué)生實驗實踐能力的提升。實驗教學(xué)是高校創(chuàng)新教育和校企合作育人機制在人才培養(yǎng)過程中不可或缺的組成部分[2]。如何讓本科生在學(xué)校學(xué)習(xí)到足夠的知識，且能夠?qū)⒗碚撝R與生產(chǎn)實踐有機結(jié)合起來，擁有足夠的實戰(zhàn)經(jīng)驗和教訓(xùn)總結(jié)，是集成電路人才培養(yǎng)過程中提高畢業(yè)生就業(yè)競爭力必須要解決的重要問題。

2 鼓勵教師外出調(diào)研 加快教學(xué)改革進程

集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使企業(yè)對畢業(yè)生的理論知識、動手能力和實踐能力都提出更高的要求。這迫使高校在人才培養(yǎng)方面要與時俱進，為迎合市場需求而不斷改進教學(xué)方案和人才培養(yǎng)計劃，不能閉門造車。高校要鼓勵教師走出去，到企業(yè)去提高自身的實踐水平，去調(diào)研公司需要人才掌握的專業(yè)技能和知識分類量化[3]，將企業(yè)的需求與所開設(shè)的課程進行對比，及時調(diào)整授課內(nèi)容，刪減過時或與實際需求結(jié)合不緊密的課程學(xué)時，有針對性地增加設(shè)計型和應(yīng)用型課程，使畢業(yè)生經(jīng)過較短的培訓(xùn)就能勝任公司的工作，提高就業(yè)率;要鼓勵教師到國內(nèi)外高校特別是名校去調(diào)研或進修，了解它們相同專業(yè)的課程設(shè)置和具體的授課內(nèi)容。通過進修學(xué)習(xí)，教師不僅可以提高講課水平，找到自身存在的不足，更能開闊眼界，與所在高校相關(guān)課程的教學(xué)過程相對比，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，對教學(xué)過程和課堂教學(xué)環(huán)節(jié)進行重新思考，對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等項目的改革提出自己的見解。

3 集成電路系列實驗所存在的問題

這里以河北大學(xué)為例，闡述普通高校集成電路實驗教學(xué)過程中可能存在的問題。筆者經(jīng)過在北京工業(yè)大學(xué)兩個月的交流探討和在北京理工大學(xué)半年的進修學(xué)習(xí)，通過與相關(guān)教師的交流探討，對比發(fā)現(xiàn)，普通高校對學(xué)生集成電路設(shè)計核心能力的培養(yǎng)不明確，對人才培養(yǎng)目標定位比較模糊[4]。經(jīng)過調(diào)查研究，多數(shù)高校開設(shè)的集成電路方向的專業(yè)課程都包括數(shù)字集成電路原理與設(shè)計、數(shù)字集成電路課程設(shè)計、數(shù)字集成電路實驗、模擬集成電路原理與設(shè)計、模擬集成電路實驗或課程設(shè)計、集成電路版圖設(shè)計及版圖實驗等。普通高校所開設(shè)的理論課程內(nèi)容廣度和深度都有所欠缺，導(dǎo)致實驗項目簡單，形式單一。理論知識是實驗操作的前提，如果理論知識匱乏，實驗教學(xué)就是空談。下面以河北大學(xué)為例來加以說明。

河北大學(xué)開設(shè)的數(shù)字集成電路原理與設(shè)計的理論課時為68學(xué)時，實驗課時為18學(xué)時，課程設(shè)計課時為期一周。理論課程的內(nèi)容稍顯陳舊，對雙極型器件及工藝介紹偏多，對CMOS器件及工藝介紹相對偏少，對可測性設(shè)計部分草草帶過，對流水線部分未加介紹。實驗課時偏少，使用的EDA工具落后，實驗內(nèi)容偏向于基本數(shù)字電路單元的性能分析，未將有關(guān)數(shù)字前端設(shè)計部分的Verilog/VHDL語言的代碼編寫、仿真及綜合等內(nèi)容加入進來。這讓學(xué)生對數(shù)字前端設(shè)計的認識僅限于書本上的介紹，沒有親身體會其設(shè)計流程，學(xué)習(xí)效果差。

模擬集成電路原理與設(shè)計的理論課時為34學(xué)時，課程設(shè)計課時為期一周。由于理論課程學(xué)時太短，對典型的模擬電路模塊如運算放大器、基準電壓源、ADC及DAC電路等部分的講解深度不夠。由于沒有配套的實驗課程，導(dǎo)致學(xué)生沒有機會理清模擬集成電路設(shè)計過程中需要考慮的問題，不清楚應(yīng)該從哪些問題開始入手，如何將手工計算結(jié)果與軟件仿真結(jié)果相對比，以及如何優(yōu)化電路的仿真結(jié)果以滿足技術(shù)指標的要求等，無法將理論內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實踐知識。

集成電路版圖設(shè)計的理論課時為26學(xué)時，實驗學(xué)時為18學(xué)時。由于任課教師沒有真正參與過具體的工程項目，而該門課程的性質(zhì)又與實際聯(lián)系得特別緊密，造成教師在授課過程中對相關(guān)知識理解得不深入、不透徹，講解得不到位、不全面。這需要學(xué)校為教師提供進一步提升理論水平和實踐水平的機會，才能更好地教授學(xué)生。其實驗課程同樣由于所使用的EDA工具不是行業(yè)內(nèi)最流行的軟件，無法讓學(xué)生更加清楚地理解元件版圖的含義[5]，無法讓學(xué)生掌握修改版圖設(shè)計中的設(shè)計規(guī)則錯誤以及LVS（電路圖與版圖的一致性檢查）錯誤的方法，開設(shè)的實驗課程內(nèi)容不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實驗教學(xué)流于表面，不夠深入。

4 實驗課程教學(xué)改革

鑒于以上集成電路方向一系列的實驗教學(xué)中存在的問題，可以從以下幾個方面來加以改進，以加強教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

硬件、軟件要跟上 河北大學(xué)“光伏技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”于2016年獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，集成電路系列實驗是光伏技術(shù)虛擬仿真教學(xué)中心的重要組成部分。以此為契機，學(xué)校已購買用于安裝主流集成電路設(shè)計EDA工具的服務(wù)器及工作站，Linux操作系統(tǒng)也已安裝完成，加上實驗室原來的設(shè)備，從硬件上已經(jīng)對實驗的教學(xué)改革做好準備。

軟件方面需要在服務(wù)器上安裝集成電路設(shè)計EDA工具及工藝PDK文件。很多EDA軟件公司有專門針對高校的大學(xué)計劃，高校購買相關(guān)軟件的價格也相對要便宜很多[6]。目前，業(yè)內(nèi)主流的集成電路設(shè)計軟件為Cadence系列軟件。Cadence IC Design是一個完整的全定制設(shè)計平臺，包括Schematic Composer（電路圖設(shè)計）、Spectre（仿真）、Virtuoso（版圖編輯工具）及Assura、Dracula、Diva（三個都是物理驗證工具）等。軟件的購買及安裝工作已經(jīng)與相關(guān)廠商進行商談，學(xué)校也已提供相應(yīng)的經(jīng)費支持。工藝PDK文件需要跟foundry聯(lián)系，如SMIC（中芯國際）、TSMC（臺積電）、華潤上華等，也可聯(lián)系MPW（多項目晶圓）中間商來拿到PDK文件。

改進教學(xué)方法 為了提高面向集成電路設(shè)計學(xué)生的專業(yè)競爭力，就必須對集成電路方向的教學(xué)體系設(shè)置進行改革，延長學(xué)生實際動手操作時間，讓學(xué)生親身體會設(shè)計的整個流程[7]。在有限的實驗學(xué)時背景下，為了提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，可以將實驗教學(xué)與課堂教學(xué)有機結(jié)合起來，將與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密、通過動手操作更易于理解的教學(xué)內(nèi)容放在實驗室來講解。教師可以把驗證型實驗題目融進課堂，在講解到與實驗題目相應(yīng)的知識點時，先將該知識點詳細講解一遍，說明其中需要注意的細節(jié)，然后讓學(xué)生在課堂上完成相應(yīng)的實驗操作，鼓勵學(xué)生嘗試自己解決實驗過程中遇到的困難和問題，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的成就感。在真正的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)逐漸減少甚至取消驗證型實驗題目，增大綜合型、設(shè)計型實驗項目的比重，在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)讓學(xué)生有更多的機會學(xué)習(xí)到更多的實踐經(jīng)驗。

河北大學(xué)目前已經(jīng)將集成電路版圖設(shè)計的理論教學(xué)放進實驗室授課。這種靈活的教學(xué)方式不但可以促進知識的同步消化，而且加快了將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐經(jīng)驗的步伐。教師也可以將工程案例或自己的科研項目貫穿于課程的理論、實驗和作業(yè)中，通過具體的案例教學(xué)使學(xué)生掌握集成電路的前端和后端設(shè)計流程[8]。

加強課堂外學(xué)習(xí)資源建設(shè) 基于河北大學(xué)“光伏技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”平臺，繼續(xù)探索開發(fā)形式多樣的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)模式。將Cadence工具的基本操作方法、CMOS集成電路典型的前端/后端設(shè)計流程、所需的知識儲備、反向設(shè)計的版圖影像、版圖的層次以及容易出錯實驗項目的實驗過程等，以圖片、PPT、動畫、視頻及MOOC的形式展現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)平臺上，以有效減少教師的重復(fù)講解，提高課堂效率，讓學(xué)生對相關(guān)知識獲得更直觀、更準確的認識。

通過積極參賽提高學(xué)生實踐能力 當(dāng)集成電路設(shè)計硬件、軟件都已落實，且相關(guān)實驗開設(shè)基本成熟之后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生參加校內(nèi)外的集成電路設(shè)計大賽。在外出參賽之前，可以先組織學(xué)生參加校級的電子設(shè)計競賽，通過查閱資料、小組討論、網(wǎng)絡(luò)詢問及向資深教師或企業(yè)工程師請教等途徑，發(fā)現(xiàn)并解決所遇到的問題，積累比賽經(jīng)驗。

由北京市教委和北京電子學(xué)會主辦的全國大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽至2018年已成功舉辦八屆，已成為國內(nèi)這一領(lǐng)域最有影響力的賽事之一。大賽的主要目的在于發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)優(yōu)秀的集成電路設(shè)計人才，促進高校與企業(yè)的深入合作和交流，提高學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力。從未參加過此類比賽的普通高校要勇于嘗試，克服恐懼心理，在參賽過程中積極向其他團隊學(xué)習(xí)，了解其設(shè)計特點及優(yōu)勢，找到自身不足，總結(jié)出提升自身能力的辦法。通過參賽，學(xué)生經(jīng)歷從電路設(shè)計、版圖設(shè)計到驗證甚至流片測試的各個環(huán)節(jié)，提高綜合訓(xùn)練能力[9]。

5 結(jié)語

集成電路方向開設(shè)的系列實驗是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)和提高學(xué)生動手動腦能力的重要實驗課程。通過與國內(nèi)其他高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路方向?qū)嶒炚n程的對比，提出普通高?？赡艽嬖诘膯栴}以及解決問題的方法。對集成電路系列實驗進行改革，可以讓學(xué)生接觸到集成電路行業(yè)內(nèi)流行的EDA設(shè)計軟件，清晰了解集成電路前端設(shè)計和后端設(shè)計的流程，掌握從電流設(shè)計到版圖設(shè)計的各個環(huán)節(jié)及需要注意的問題，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，為更好地就業(yè)做好充分的準備。教學(xué)改革應(yīng)該是與時俱進的，學(xué)校應(yīng)鼓勵更多的教師到企業(yè)和高校去參觀、交流、訪問和學(xué)習(xí)，以便更好更全面地進行教學(xué)改革，進一步明確和突出人才培養(yǎng)的目標，為培養(yǎng)就業(yè)型和科研型畢業(yè)生而努力。

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基金項目：河北大學(xué)研究生示范課程建設(shè)項目“電子科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科專業(yè)英語示范課程建設(shè)”（201701）;河北省自然科學(xué)基金資助項目“Li2FeSiO4正電極材料的水熱生長動力學(xué)與電化學(xué)特性調(diào)控研究”（F2017201130）;國家杰出青年基金資助項目“光熱耦合電源器件建模及基礎(chǔ)問題研究”（61204079）;河北省研究生示范課程建設(shè)項目“電子科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科專業(yè)英語示范課程建設(shè)”（KCJSX2018003）。

作者：李祺，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院;師建英，通訊作者，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，講師，研究方向為電路設(shè)計及集成電路設(shè)計;閆小兵，通訊作者，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，教授，研究方向為阻變材料和阻變存儲器的研究（071002）。