淺談集成電路人才培養(yǎng)模式改革

鐘英輝， 楊 潔， 馬劉紅， 李夢(mèng)珂， 段智勇

(鄭州大學(xué) 物理學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

集成電路作為微電子系統(tǒng)神經(jīng)中樞，相關(guān)技術(shù)已滲透到國(guó)防安全、生產(chǎn)生活的方方面面。隨著我國(guó)汽車(chē)電子、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，作為支撐的集成電路產(chǎn)業(yè)不管是市場(chǎng)規(guī)模還是市場(chǎng)增速都占據(jù)全球第一，然而不容忽視的現(xiàn)實(shí)是我國(guó)主要的集成電路產(chǎn)品還嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。國(guó)際上在半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等微電子技術(shù)方面都對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格禁運(yùn)和技術(shù)封鎖。近來(lái)，中美以芯片技術(shù)為焦點(diǎn)的貿(mào)易戰(zhàn)已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p害了我國(guó)“中興”、“華為”等大型高新技術(shù)企業(yè)的核心利益，推動(dòng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)前瞻性研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才培養(yǎng)已經(jīng)成為我國(guó)發(fā)展之根本。

近十年來(lái)，國(guó)家先后多次出臺(tái)政策鼓勵(lì)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2014年國(guó)家工信部發(fā)布《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，把集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略并投資千億基金。2015年，工信部發(fā)布《中國(guó)制造2025》，集成電路產(chǎn)業(yè)排名重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)榜首。2018年政府工作報(bào)告更是把微電子列入加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)需推動(dòng)的五大產(chǎn)業(yè)首位，將“推動(dòng)微電子等產(chǎn)業(yè)發(fā)展”列入了實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一位。眾多鼓勵(lì)政策和產(chǎn)業(yè)基金刺激下，集成電路產(chǎn)業(yè)必將成為蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，集成電路人才培養(yǎng)迫在眉睫?？茖W(xué)的教學(xué)模式將幫助學(xué)生加深對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，有效促進(jìn)集成電路方向教學(xué)層次提高、教學(xué)質(zhì)量上升、本科畢業(yè)人才素質(zhì)的提升，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防安全提供有力支撐[1～2]。

1 集成電路人才培養(yǎng)面臨的問(wèn)題

目前，高水平集成電路專(zhuān)業(yè)人才的缺乏是限制微電子行業(yè)發(fā)展的瓶頸，針對(duì)高校育人為本的辦學(xué)宗旨，為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)人才迫在眉睫。然而集成電路人才培養(yǎng)卻面臨諸多問(wèn)題：

1.1 師資力量薄弱，上游專(zhuān)業(yè)課程缺乏

當(dāng)前，微電子行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)，各地高校集成電路專(zhuān)業(yè)猶如雨后春筍。然而相應(yīng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才稀缺，供不應(yīng)求。多數(shù)專(zhuān)業(yè)人才偏向選擇待遇優(yōu)厚或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的公司、科研院所就職，較少留任高等院校，特別是偏遠(yuǎn)落后的中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)。以至于能高質(zhì)量開(kāi)設(shè)集成電路專(zhuān)業(yè)的高校甚少，很多高校集成電路專(zhuān)業(yè)基本名不符實(shí)，開(kāi)設(shè)的上游專(zhuān)業(yè)課程寥寥無(wú)幾，并不能依據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃建立系統(tǒng)的、全面的課程體系。學(xué)生學(xué)到的知識(shí)淺顯、碎片化，所學(xué)內(nèi)容之間不能形成完善的、專(zhuān)業(yè)的知識(shí)框架體系，極大地限制了學(xué)生繼續(xù)從事集成電路技術(shù)研究的興趣和潛力[3]。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)昂貴，限制實(shí)踐認(rèn)知機(jī)會(huì)

集成電路專(zhuān)業(yè)方向?qū)?shí)驗(yàn)平臺(tái)要求高、設(shè)備昂貴，真實(shí)研制過(guò)程投入巨大。同時(shí)，研制過(guò)程涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、多種氣體和材料，具有一定的危險(xiǎn)性。多數(shù)高校集成電路專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)多限于課堂理論教學(xué)，并沒(méi)有針對(duì)性開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，畢業(yè)學(xué)生理論知識(shí)相對(duì)薄弱、動(dòng)手實(shí)踐能力欠佳，具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新意識(shí)的集成電路人才培養(yǎng)嚴(yán)重滯后。畢業(yè)學(xué)生從事集成電路方向工作和科研的難度較大，部分學(xué)生最終不得不選擇其他專(zhuān)業(yè)方向的崗位和科學(xué)研究。畢業(yè)學(xué)生常反饋應(yīng)當(dāng)增加相關(guān)集成電路專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)力度，并強(qiáng)化動(dòng)手實(shí)踐課程建設(shè)。

1.3 缺乏科研實(shí)踐，團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新意識(shí)差

集成電路產(chǎn)品研制過(guò)程繁瑣，需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、封裝和后測(cè)的流程。集成電路設(shè)計(jì)又分為原理圖設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)校對(duì)，同時(shí)還經(jīng)常會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)或者電路設(shè)計(jì)任務(wù)拆分，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)直接影響最終集成電路的性能及成敗，對(duì)參與人員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力要求較高。然而，學(xué)生在學(xué)校主要進(jìn)行課本理論知識(shí)學(xué)習(xí)，并沒(méi)有進(jìn)行項(xiàng)目協(xié)作演練，更沒(méi)有建立起互幫互助的團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新意識(shí)。

2 集成電路人才培養(yǎng)模式改革

針對(duì)部分高校集成電路專(zhuān)業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)欠缺、動(dòng)手實(shí)踐能力欠佳、團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新意識(shí)欠缺的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合微電子行業(yè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)工作制的特點(diǎn)，本文擬針對(duì)集成電路人才培養(yǎng)模式提出改革措施，具體內(nèi)容如下：

2.1 理論和實(shí)踐相結(jié)合的一體化教學(xué)模式

圖1所示為理論和虛擬仿真實(shí)踐相結(jié)合的一體化教學(xué)流程。結(jié)合學(xué)生集成電路上游專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的現(xiàn)狀，將遵循重視知識(shí)框架體系建設(shè)，適當(dāng)降低對(duì)具體知識(shí)點(diǎn)的理解深度要求。通過(guò)引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，將集成電路相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移至課堂之外，節(jié)約有限的教學(xué)時(shí)間，理論教學(xué)主要內(nèi)容包括：常用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和雙極型晶體管(BJT)的基本工作原理、特性曲線；光刻、電子束蒸發(fā)、氣相沉積等半導(dǎo)體工藝步驟；特征尺寸、代工、模型、版圖等集成電路基本概念。通過(guò)理論知識(shí)精講夯實(shí)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，為進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)實(shí)踐儲(chǔ)備理論基礎(chǔ)。

基于常用集成電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行反相器、放大器基本功能單元實(shí)踐案例講解，使學(xué)生掌握工藝庫(kù)選型、半導(dǎo)體有源器件工作電壓設(shè)置、集成電路原理圖設(shè)計(jì)、集成電路版圖設(shè)計(jì)等虛擬仿真流程和技巧，加深對(duì)虛擬仿真程序的理解，為后續(xù)獨(dú)立仿真實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

圖1 理論和虛擬仿真相結(jié)合的一體化教學(xué)模式

以團(tuán)隊(duì)為基本單元進(jìn)行集成電路功能模塊的虛擬仿真實(shí)踐，如分頻器、混頻器、濾波器、功率放大器、低噪聲放大器等。通過(guò)課堂虛擬仿真實(shí)踐讓學(xué)生了解常用的集成電路功能模塊，掌握集成電路原理圖、布線、版圖設(shè)計(jì)流程和技巧，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)減少昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)施投入，避免接觸強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有毒氣體等危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 團(tuán)隊(duì)考核為主的考核方式改革

課程考核是教學(xué)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)教學(xué)效果和保證教學(xué)質(zhì)量的重要手段，是教學(xué)質(zhì)量管理與評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，應(yīng)堅(jiān)持公平、公正、求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t。為了課程考核工作進(jìn)一步科學(xué)化和規(guī)范化，讓考核起到“導(dǎo)向性”“反饋性”作用，客觀科學(xué)地評(píng)價(jià)教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量不斷提高。同時(shí)，考慮到微電子行業(yè)大多實(shí)行項(xiàng)目制度，團(tuán)隊(duì)協(xié)作對(duì)項(xiàng)目的完成至關(guān)重要。因此課程可以引入以項(xiàng)目為依據(jù)的團(tuán)隊(duì)考核制度，學(xué)生成績(jī)由團(tuán)隊(duì)成績(jī)和期末考試成績(jī)兩部分組成。

團(tuán)隊(duì)成績(jī)：以團(tuán)隊(duì)為基本單元，分配不同學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，由團(tuán)隊(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)研拆分項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行階段性學(xué)習(xí)匯報(bào)和過(guò)程考核，期末進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)考核。團(tuán)隊(duì)考核制以項(xiàng)目進(jìn)展為依據(jù)，考察學(xué)生學(xué)習(xí)能力、對(duì)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用能力、PPT制作能力和語(yǔ)言組織表達(dá)能力，更重要的是通過(guò)團(tuán)隊(duì)考核提高學(xué)生互幫互助、相互監(jiān)督、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力和意識(shí)。期末考核：重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)課程的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本技能的掌握，考查學(xué)生綜合分析、理解和解決問(wèn)題的能力，注重考題對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的啟發(fā)和創(chuàng)新能力的引導(dǎo)。

2.3 延伸科研實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)能力拓展

集成電路專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)可與科學(xué)研究緊密結(jié)合。一方面通過(guò)邀請(qǐng)微電子行業(yè)專(zhuān)家針對(duì)前沿科研問(wèn)題開(kāi)展專(zhuān)業(yè)知識(shí)講座，使學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，緊跟科研潮流。另外一方面鼓勵(lì)學(xué)生課后參加創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，進(jìn)行新結(jié)構(gòu)、新材料的半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)，將科學(xué)研究理念、方法、成果融入到學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生科研實(shí)踐甚至可替代課程設(shè)計(jì)或者畢業(yè)設(shè)計(jì)。前沿科研講座和實(shí)踐活動(dòng)非常有利于學(xué)生提高科研眼界、科研經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)研究的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

為推動(dòng)國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)迫在眉睫。理論知識(shí)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式將實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐演練的對(duì)接，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、避免危險(xiǎn)環(huán)境。團(tuán)隊(duì)考核為主的考核機(jī)制將增強(qiáng)學(xué)生互助協(xié)作意識(shí)，提前適應(yīng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作模式。科研前沿專(zhuān)題講座和科學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)將極大增進(jìn)課程教學(xué)向科研的延伸，實(shí)現(xiàn)能力拓展甚至科技創(chuàng)新。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人才培養(yǎng)也需要與時(shí)俱進(jìn)、培養(yǎng)模式改革實(shí)踐永遠(yuǎn)在路上。