主體性個(gè)性化模式下集成電路課程改革探索

王昊 孔令榮

[摘 要]集成電路課程是我院電子電氣工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的骨干課程。集成電路課程教學(xué)應(yīng)結(jié)合主體性個(gè)性化模式，通過(guò)找準(zhǔn)定位，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)措施，進(jìn)行教學(xué)改革。充分利用Tanner Pro和FPGA平臺(tái)，著力提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生熟悉集成電路設(shè)計(jì)流程，具有集成電路版圖設(shè)計(jì)、測(cè)試等能力。

[關(guān)鍵詞]集成電路 教學(xué)改革 Tanner Pro FPGA

[中圖分類號(hào)] G423.07[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）07-0165-02

集成電路課程是我院電子電氣工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的骨干課程，其與半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、集成電路制造與工藝等課程共同構(gòu)成了電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微電子方向課程群。該課程旨在要求學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的模擬、數(shù)字集成電路的分析和設(shè)計(jì)方法，能夠從事集成電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、芯片加工、芯片測(cè)試等方面的工作。

一、教學(xué)改革的起因

（一）人才培養(yǎng)目標(biāo)錯(cuò)位

集成電路公司需求人才類型不一而同。如數(shù)字集成電路方面，包括算法設(shè)計(jì)、RTL、邏輯綜合、布局布線、測(cè)試等;而模擬集成電路方面，包括電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、DRC、LVS、生成GDSII、測(cè)試等。人才的需求既有高端也有低端。我院屬于獨(dú)立學(xué)院，以本科生培養(yǎng)為目標(biāo)。獨(dú)立學(xué)院的本科生無(wú)法與研究生競(jìng)爭(zhēng)，相比于其他一本、二本院校也處于一定的劣勢(shì)，在人才的需求端明顯處于低端。然而本課程的培養(yǎng)目標(biāo)卻以算法設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等高端人才需求為主，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)錯(cuò)位。

（二）實(shí)踐性教學(xué)缺失

集成電路課程是門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)于重理論，而企業(yè)招聘，看中的是學(xué)生動(dòng)手的能力，只知道一些公式、概念的學(xué)生，難以吸引企業(yè)眼球，造就了部分畢業(yè)生找不到合適的工作。

二、改革的思路

結(jié)合我院《南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院大學(xué)生主體性個(gè)性化教育培養(yǎng)方案》，在加強(qiáng)主體性，彰顯個(gè)性化發(fā)展的目標(biāo)下，堅(jiān)持正確的人才培養(yǎng)目標(biāo)定位很重要。因此，改革找準(zhǔn)定位是關(guān)鍵。應(yīng)在指導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)集成電路框架知識(shí)的前提下，著力引導(dǎo)學(xué)生掌握集成電路制造、版圖設(shè)計(jì)、RTL、邏輯綜合、布局布線、測(cè)試等較基礎(chǔ)的技能，使其具有一定的微電子工程實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)。

（一）弱化抽象理論

弱化抽象理論實(shí)質(zhì)是定位的問(wèn)題。集成電路，尤其是模擬集成電路，有過(guò)多公式的推導(dǎo)和抽象理論。理論的重要性在于集成電路的算法設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等對(duì)于高端人才的培養(yǎng)尤為重要。而高端人才的培養(yǎng)明顯偏離我院的培養(yǎng)目標(biāo)。過(guò)多的強(qiáng)調(diào)抽象理論，不利于學(xué)生主體性的發(fā)揮。

（二）加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練

該課程的教學(xué)定位于使畢業(yè)生有較高的工程素質(zhì)、較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手實(shí)踐能力。實(shí)踐訓(xùn)練中，引入Tanner Pro集成電路專用軟件[1]和FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)。利用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)相結(jié)合，采用工程項(xiàng)目化管理模式有條件分級(jí)教學(xué)，突出學(xué)生個(gè)體化，挖掘?qū)W生潛能。

三、改革的具體措施

（一）改革課程體系

組建由模擬和數(shù)字集成電路、集成電路課程設(shè)計(jì)、FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)三門(mén)課程構(gòu)成的集成電路課程群。打通模擬集成電路、數(shù)字集成電路理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在學(xué)中練，練中學(xué)。

1.課程合并

教學(xué)改革之前，集成電路課程由模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)兩門(mén)課程組成。兩門(mén)課程分開(kāi)教學(xué)，雖然能夠更為詳盡的講解模擬和數(shù)字集成電路，然而知識(shí)點(diǎn)龐雜，知識(shí)量巨大，高于學(xué)生的接受能力，學(xué)生反響平平。因此，將模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)兩門(mén)課程合二為一，改為模擬和數(shù)字集成電路，選用王志功編著《集成電路設(shè)計(jì)（第3版）》教材。[2]該教材提供了集成電路設(shè)計(jì)從前端、版圖、流片到封裝測(cè)試的完整流程相關(guān)知識(shí)，并結(jié)合設(shè)計(jì)工具進(jìn)一步強(qiáng)化了設(shè)計(jì)實(shí)例，具有難度適中，應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

授課過(guò)程中，注重和前期課程半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、集成電路制造與工藝的知識(shí)銜接，避免知識(shí)講解的跳躍性。在講解集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論章節(jié)和集成電路基本工藝章節(jié)時(shí)，引入視頻教學(xué)，通過(guò)讓學(xué)生觀看教學(xué)錄像、教學(xué)圖片，形象地給學(xué)生展示制造集成電路的詳細(xì)過(guò)程，避免純粹語(yǔ)言授課的枯燥，提高教學(xué)效果，同時(shí)也解決了集成電路工藝線不適宜組織大量的學(xué)生進(jìn)行實(shí)地參觀的難題。在講解模擬集成電路基本單元章節(jié)時(shí)，弱化放大器各項(xiàng)指標(biāo)性能的公式推導(dǎo)，專注講解電路工作原理，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，減輕學(xué)生學(xué)習(xí)的畏難情緒。

2.開(kāi)設(shè)集成電路課程設(shè)計(jì)課程

學(xué)生能夠熟練使用EDA軟件，熟悉EAD軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的流程非常重要。開(kāi)設(shè)集成電路課程設(shè)計(jì)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生電路仿真、版圖設(shè)計(jì)、布局布線等技能。該課程教學(xué)基于Tanner Pro實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)踐教學(xué)的平臺(tái)選擇中，有Cadence、Synopsys等公司產(chǎn)品，但這些軟件昂貴，使用成本較高?；谖以簩?shí)際，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用性原則，最終選擇了Tanner Pro實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。Tanner Pro軟件是由Tanner Research 公司開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)的用于集成電路設(shè)計(jì)的工具軟件。該軟件功能十分強(qiáng)大，易學(xué)易用，包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit與LVS，從電路設(shè)計(jì)、分析模擬到電路布局一應(yīng)俱全。其中的L-Edit版圖編輯器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，具有很高知名度。

結(jié)合人才定位，該課程注重培養(yǎng)學(xué)生L-Edit版圖編輯器的使用。L-Edit版圖編輯器包含IC設(shè)計(jì)編輯器（Layout Editor）、自動(dòng)布線系統(tǒng)（Standard Cell Place & Route）、線上設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器（DRC）、組件特性提取器（Device Extractor）、設(shè)計(jì)布局與電路netlist的比較器（LVS）等模塊，用于電路特別是模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)。[3]

該課程包含基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生主體性，要求每個(gè)學(xué)生都必須完成。綜合性實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化，設(shè)置難度梯度及不同的側(cè)重訓(xùn)練方向，學(xué)生可根據(jù)自身掌握能力和興趣，自由選擇。

3.開(kāi)設(shè)FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程

FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程任務(wù)是講解Verilog或VHDL語(yǔ)言，要求學(xué)生利用所學(xué)硬件描述語(yǔ)言，編寫(xiě)測(cè)試腳本文件，在FPGA硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件測(cè)試。[4]該課程以我院“FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”為依托。我院“FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”設(shè)有多套FPGA硬件開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱和邏輯分析儀，選用Altera公司CycloneII系列，能夠滿足一般的驗(yàn)證和測(cè)試要求。

在FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)中，要求學(xué)生從基本的與非門(mén)芯片開(kāi)始，再到復(fù)雜的總線接口芯片。利用FPGA硬件開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱搭建測(cè)試平臺(tái)，在QuartusII、Modelsim軟件中，完成測(cè)試腳本文件的編寫(xiě)，通過(guò)邏輯分析儀或者示波器觀察測(cè)試波形。

（二）改革考核體系

之前的考核模式，僅通過(guò)一張?jiān)嚲韥?lái)考查學(xué)生掌握知識(shí)的情況，缺乏全面性與科學(xué)性。因此將考核的重心從理論轉(zhuǎn)向?qū)嵺`，變結(jié)果性考核為過(guò)程性考核。在授課的課程中，根據(jù)學(xué)生課堂的表現(xiàn)，特別是實(shí)踐訓(xùn)練課程完成實(shí)驗(yàn)的情況，給學(xué)生打分。完成實(shí)驗(yàn)難度的等級(jí)越高，得分越高，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

（三）加強(qiáng)學(xué)生就業(yè)引導(dǎo)

據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，極少數(shù)集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的本科畢業(yè)生會(huì)從事集成電路高端設(shè)計(jì)方向相關(guān)工作。這是因?yàn)橐环矫姹究粕局R(shí)儲(chǔ)備不夠，更主要的原因是設(shè)置集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)研究生課程的高等院校越來(lái)越多。[5]然而，隨著集成電路產(chǎn)能的急速釋放，以及EDA開(kāi)發(fā)工具的發(fā)展，集成電路較低端設(shè)計(jì)的人才需求逐漸從研究生向本科生傾斜。集成電路版圖、集成電路工藝以及集成電路測(cè)試等與集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的工作崗位對(duì)集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)的要求較低。從事上述幾個(gè)工作崗位若干年將有助于從事集成電路設(shè)計(jì)工作。就個(gè)人的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展而言，集成電路版圖、集成電路工藝以及集成電路測(cè)試等工作崗位對(duì)于本科生而言更具有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在學(xué)科專業(yè)講座時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生就業(yè)引導(dǎo)，避免就業(yè)時(shí)與高端人才競(jìng)爭(zhēng)，找準(zhǔn)自我就業(yè)方向。

同時(shí)，定期舉辦學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，讓學(xué)生了解集成電路產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，了解相關(guān)人才市場(chǎng)需求，了解就業(yè)前景，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)速度加快，集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性的地位愈發(fā)凸顯。黨中央國(guó)務(wù)院高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)，并于2014年6月24日正式發(fā)布了《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，開(kāi)啟了國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)的盛宴。在集成電路人才巨大需求的形勢(shì)下，找準(zhǔn)學(xué)生定位，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合，將有助于提升我院學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)力。

[ 注 釋 ]

[1] 李鴻強(qiáng).以工程需求為導(dǎo)向的集成電路設(shè)計(jì)閉環(huán)教育研究[J].教育教學(xué)論壇，2009（44）：89-90.

[2] 王志功，陳瑩梅.集成電路設(shè)計(jì)（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 李冰.兩門(mén)集成電路課程的教學(xué)模式改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：6-8.

[4] 吳文光.微電子專業(yè)集成電路設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的建設(shè)與研究[J].信息技術(shù)，2009（26）：10-12.

[5] 謝海情，唐立軍，文勇軍.集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式探索[J].中國(guó)電力教育，2013（28）：29-30.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]