集成電路的計算機輔助設(shè)計教學(xué)方法改革探索

馬奎

摘要：集成電路設(shè)計是一項理論基礎(chǔ)要求高、綜合性和系統(tǒng)性強、涉及面較廣的任務(wù)，離不開計算機軟件的輔助。開設(shè)《集成電路CAD》課程，有利于提高學(xué)生的實踐能力、加深對專業(yè)課程的理解，是系統(tǒng)培養(yǎng)集成電路人才的有效手段之一。針對課程內(nèi)容抽象的特點，在課堂教學(xué)時需通過融入行業(yè)前沿信息、設(shè)計案例，合理設(shè)置隨堂練習(xí)題、討論題以及課后習(xí)題等一系列內(nèi)容，豐富教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)造直觀生動的課堂氛圍，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。針對實踐性強的特點，通過分組進行課題設(shè)計、逐一開展設(shè)計報告、加重實踐環(huán)節(jié)的考核比重等方法，可以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、提高學(xué)生的設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：集成電路;計算機輔助設(shè)計;教學(xué)方法;實踐訓(xùn)練

中圖分類號：G642.3? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）12-0125-03

一、引言

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，信息的存儲和處理能力得到了爆炸式提升，使得信息技術(shù)（IT，Information Technology）時代已升級到數(shù)據(jù)技術(shù)（DT，Date Technology）時代。進入21世紀(jì)的第二個十年，信息技術(shù)已深入人們生產(chǎn)、生活中的方方面面，其在國民經(jīng)濟中的支柱作用愈發(fā)凸顯。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵的集成電路產(chǎn)業(yè)，在這個階段也迎來了快速發(fā)展。從芯片特征尺寸的角度來看，從2010年的65nm發(fā)展到了2018年的7nm;從芯片功能和性能的角度來看，越來越多的電路模塊被集成到芯片中，片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）越來越智能，自2017年起，蘋果公司和華為公司發(fā)布的SoC都集成有神經(jīng)處理單元（NPU，Neural Processing Unit）;從市場分布的角度來看，亞太地區(qū)（尤其是中國）是全球規(guī)模最大的集成電路市場，市場需求將繼續(xù)保持快速增長[1]，但市場份額主要被美、歐、日、韓等國家或地區(qū)的少數(shù)跨國公司所占有。

芯片是一個國家綜合國力的象征，沒有芯片就沒有電子世界，更沒有21世紀(jì)的制造設(shè)計大國[2]。我國雖然擁有龐大的集成電路市場，但尖端核心技術(shù)均掌握在少數(shù)發(fā)達國家手上，隨時有被“卡脖子”的風(fēng)險，2018年初的“中興事件”就是一個典型的例子。產(chǎn)業(yè)的振興首先要從培養(yǎng)人才開始，集成電路設(shè)計是知識密集型行業(yè)，需要培養(yǎng)專門的設(shè)計人才。集成電路的CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）技術(shù)幾乎是伴隨著集成電路產(chǎn)品的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，雖然數(shù)字集成電路的設(shè)計方法已從CAD演進到EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化），但是模擬和數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計目前還是采用CAD技術(shù)。在高等教育院校的相關(guān)專業(yè)中開設(shè)“集成電路CAD”課程，加強設(shè)計思維培養(yǎng)和設(shè)計實例訓(xùn)練，是系統(tǒng)培養(yǎng)集成電路人才的有效手段之一，有利于提高學(xué)生的實踐能力、加深對專業(yè)課程的理解。

二、教學(xué)內(nèi)容安排

《集成電路CAD》是“電子科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)高年級本科生的關(guān)鍵專業(yè)課程之一，主要覆蓋模擬及數(shù)模混合集成電路領(lǐng)域。在學(xué)習(xí)該門課程之前學(xué)生需具備《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《半導(dǎo)體器件物理》《微電子工藝》《集成電路分析與設(shè)計》等專業(yè)課程基礎(chǔ)。

本課程的教學(xué)內(nèi)容有兩個部分：一是課堂教學(xué)，共16學(xué)時。其中概論部分2學(xué)時，主要講述集成電路的概念、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、集成電路的計算機輔助設(shè)計技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、集成電路的設(shè)計方法及設(shè)計流程、集成電路CAD的主要內(nèi)容等;用2個學(xué)時溫習(xí)集成電路制造技術(shù);專用集成電路的CAD設(shè)計方法及設(shè)計實例講解共安排4個學(xué)時;CAD電路分析基礎(chǔ)、電路元/器件模型各占2個學(xué)時;集成電路的版圖設(shè)計、版圖驗證及后仿真各占2個學(xué)時。

二是課程設(shè)計報告，共16學(xué)時。在開學(xué)第一課上做出安排，由班長或?qū)W習(xí)委員組織學(xué)生分組，5—7人一組，指定一名組長。每個小組從集成運算放大器、電壓基準(zhǔn)源、集成電壓比較器、振蕩器、低壓差線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容電路、全定制邏輯電路（50門以上）以及其他方面選擇一個設(shè)計課題，從開學(xué)第一周開始利用課余時間查閱資料，開展電路設(shè)計和仿真、版圖設(shè)計和驗證工作。同一小組中的同學(xué)在選定應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)定電路指標(biāo)參數(shù)時要體現(xiàn)出差異。從9—16周，各個小組陸續(xù)開展課程設(shè)計報告，每次課（2個學(xué)時）匯報一個課題。首先由組長介紹所選課題的基本情況，每一位同學(xué)補充介紹自己的設(shè)計和組內(nèi)其他同學(xué)的差異，采用“PPT展示+CAD軟件操作”的組合匯報模式。

三、課程教學(xué)方法改革

課堂教學(xué)部分：

1.以多媒體教學(xué)為主，輔以必要的板書，在教學(xué)課件中融入大量的行業(yè)前沿信息和集成電路設(shè)計案例，豐富教學(xué)內(nèi)容、力求給學(xué)生創(chuàng)造直觀生動的課堂氛圍。

2.在教育過程中嵌入科研項目、實際產(chǎn)品以及生產(chǎn)生活中的應(yīng)用實例講解，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動學(xué)生的積極性。

3.摒棄傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生聽”的課堂教學(xué)模式，在每一個教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵節(jié)點上設(shè)置隨堂練習(xí)題和討論題，建立討論式和參與式課堂環(huán)境。

4.設(shè)置課后思考題，要求學(xué)生查閱和綜述文獻資料、關(guān)注行業(yè)信息和前沿動態(tài)，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鍛煉他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。

課程設(shè)計報告部分：

1.創(chuàng)建探究式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)模式，安排具體設(shè)計任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生探究集成電路設(shè)計方法、利用相關(guān)CAD工具，啟發(fā)學(xué)生運用《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《半導(dǎo)體器件物理》《微電子工藝》《集成電路分析與設(shè)計》等專業(yè)課程的相關(guān)知識，在報告環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生積極參與討論和互動。

2.翻轉(zhuǎn)課堂，課程設(shè)計報告環(huán)節(jié)由每個小組的學(xué)生主講、其他小組的同學(xué)參與討論、老師輔助補充。目的是讓學(xué)生展示和介紹自己的設(shè)計，鍛煉學(xué)生的分析總結(jié)能力和語言表達能力。

3.加強實踐教學(xué)，《集成電路CAD》本就是一門實踐性較強的課程，光靠老師講解是遠遠不夠的，必須加強實踐訓(xùn)練來幫助學(xué)生理解和掌握集成電路的設(shè)計方法和流程、學(xué)會運用集成電路CAD工具。

4.以設(shè)計實例展開對課程教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)，在每個小組進行課題匯報之后，留出一定的時間給老師針對相應(yīng)課題的總結(jié)和拓展，同時也對課程教學(xué)內(nèi)容進行總結(jié)。

四、課程考核方式改革

傳統(tǒng)的“一張試卷”的考核方式不適用于實踐性和綜合性較強的《集成電路CAD》課程，只通過期末“課程論文”來進行考核也顯得比較單調(diào)。因此，為了能夠充分體現(xiàn)課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)水平，該門課程的考核方式做了如下幾個方面的改革。

1.加強課堂教學(xué)過程中隨堂練習(xí)、課堂討論和課后作業(yè)考核，加重該部分考核所占的比例。這部分主要是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、參與課程教學(xué)過程、督促學(xué)生做好平時預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，加大對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核。

2.強化課題設(shè)計實踐，加重課程設(shè)計報告所占的考核比例?！都呻娐稢AD》是一門實踐性和綜合性較強的課程，教學(xué)內(nèi)容中光有理論不行，考核時光考核理論知識也不行。通過設(shè)計課題來考核學(xué)生運用前序課程以及本科課程基礎(chǔ)知識的能力、加強過程考核，突出對學(xué)生分析問題和解決問題的能力以及動手能力的考查。

3.降低期末“課程論文”所占的考核比例。期末“課程論文”主要包含集成電路設(shè)計基礎(chǔ)知識和課題設(shè)計主要內(nèi)容兩個部分，主要考核學(xué)習(xí)的總結(jié)能力和文字表達能力。

課程考核方式及要求：隨堂練習(xí)、課堂討論、回答問題、課后作業(yè)及考勤等情況由任課教師做好相關(guān)記錄，依據(jù)打分;每位同學(xué)的課程設(shè)計報告用10分鐘左右進行PPT展示，PPT連同課程論文一起上交，任課教師對設(shè)計的正確性及完整性、口頭匯報的質(zhì)量等做好記錄，依據(jù)打分;每位同學(xué)在期末提交一份課程論文，內(nèi)容主要就是描述設(shè)計課題，任課教師根據(jù)課程論文質(zhì)量給分。

最終考核成績分配：平時成績（涵蓋隨堂練習(xí)、課堂討論和課后作業(yè)）占30%，課程設(shè)計幻燈片報告占30%，期末課程論文占40%。

五、加強鍛煉學(xué)生設(shè)計思維

CAD只是一種輔助分析手段，集成電路的設(shè)計關(guān)鍵還是在于設(shè)計人員。因此，在《集成電路CAD》課程教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維也是很有必要的。在課堂教學(xué)和課程設(shè)計報告兩個部分，可以從如下幾個方面鍛煉學(xué)生的設(shè)計思維和設(shè)計能力。

1.將學(xué)生分組，5—7人組成一個小組，每個小組選定一名組長。在理論教學(xué)和設(shè)計實踐部分，由組長組織小組成員開展基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和鞏固、設(shè)計方案擬定和執(zhí)行設(shè)計等工作，鍛煉學(xué)生的團隊協(xié)作能力。

2.在課堂教學(xué)部分，在講解每部分內(nèi)容時都和設(shè)計掛鉤，告訴學(xué)生在設(shè)計過程中應(yīng)該怎樣運用該部分知識，并設(shè)置一些啟發(fā)性的討論題和思考題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

3.在設(shè)計實踐中鼓勵學(xué)生靈活運用基礎(chǔ)知識、勇于打破常規(guī)，充分發(fā)揮自己的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。

4.在課程考核時，注重評價學(xué)生設(shè)計思維和設(shè)計能力的體現(xiàn)，對有創(chuàng)新、設(shè)計思路可行、且能夠借助理論或CAD工具軟件進行分析驗證的設(shè)計成果應(yīng)該給予高分。

六、總結(jié)

集成電路的應(yīng)用涉及人們生產(chǎn)生活的各個方面，《集成電路CAD》課程教學(xué)內(nèi)容抽象、涉及面廣、實踐性強，其教學(xué)必須借助多媒體和CAD分析等手段向?qū)W生進行可視化展示、通過設(shè)計實例向教授學(xué)生設(shè)計方法和思路、通過設(shè)計課題訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計能力。文章在課堂教學(xué)、課程設(shè)計報告以及考核方式幾個方面均提出了改革建議，目的是創(chuàng)建啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式的生動課堂氛圍，通過翻轉(zhuǎn)課堂鍛煉學(xué)生的分析總結(jié)能力和語言表達能力，以考核方式的改革來幫助學(xué)生抓住課程要點。另外，還提出了幾點加強鍛煉學(xué)生設(shè)計思維和設(shè)計能力的建議。

參考文獻：

[1]國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要[J].中國集成電路，2014，（7）：14-16.

[2]向舜然.集成電路CAD課程問題分析及解決[J].信息化建設(shè)，2015，（6）：112-113.