集成電路設(shè)計專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案探索

李金城

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。國家先后發(fā)布了許多重要文件，極大地促進了我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1～3]。

人才是大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，2021年我國集成電路產(chǎn)業(yè)的人才缺口26.1萬人，人才短缺問題將嚴(yán)重阻礙我國集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[4]。

為加強集成電路人才培養(yǎng)工作，國內(nèi)先后有26所高校建設(shè)了示范性微電子學(xué)院[5]。復(fù)旦大學(xué)在全國率先設(shè)立了集成電路一級學(xué)科，工信部與教育部等部門也積極推進設(shè)立集成電路一級學(xué)科的設(shè)置工作，為此發(fā)布了多個文件[6～7]。2020年12月30日，國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院學(xué)位委員會 教育部關(guān)于設(shè)置“交叉學(xué)科”門類、“集成電路學(xué)科與工程”和“國家安全學(xué)”一級學(xué)科的通知》，正式批準(zhǔn)設(shè)置“集成電路科學(xué)與工程”一級學(xué)科[8]。

集成電路屬于交叉學(xué)科，涵蓋設(shè)計、工藝、材料、設(shè)備、封裝和測試等多個領(lǐng)域，其中的“設(shè)計”是典型的技術(shù)密集型行業(yè)，它對于人才的依賴性遠高于其他行業(yè)?！秶壹呻娐樊a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》(后面簡稱《綱要》)指出，推進集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)就是著力發(fā)展集成電路設(shè)計業(yè)。目前國內(nèi)IC設(shè)計行業(yè)專業(yè)人才市場缺口很大，難以滿足行業(yè)發(fā)展的需要。

本文將以《綱要》為指導(dǎo)，以促進IT(Information Technology)重點領(lǐng)域的發(fā)展為目標(biāo)，以模擬和數(shù)字集成電路全流程設(shè)計為主線，對本科階段集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)的素質(zhì)要求、知識板塊和課程體系等問題進行討論，為集成電路一級學(xué)科的人才培養(yǎng)出謀劃策。

1 兩大基本素質(zhì)

如前所述，《綱要》要求圍繞重點領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈著力強化集成電路設(shè)計，在未來的幾年中5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、汽車電子以及可穿戴設(shè)備等都是信息技術(shù)發(fā)展的熱點領(lǐng)域，集成電路在這些領(lǐng)域中不僅起著核心作用，而且還是掌握自主知識產(chǎn)權(quán)和占領(lǐng)科技前沿制高點的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。

系統(tǒng)集成芯片SOC(System on Chip)可以把電路系統(tǒng)集成在一塊芯片上，是CPU、操作系統(tǒng)、各種IP模塊以及APP軟件的物理載體，具有功耗、成本、體積和可靠性的絕對優(yōu)勢，在信息技術(shù)熱點領(lǐng)域起著核心作用，所以本科階段集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)應(yīng)該面向SOC設(shè)計和熱點領(lǐng)域應(yīng)用，有針對性地制訂培養(yǎng)方案，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才的需求。

圖1所示為本文中構(gòu)想的集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)方案邏輯框圖，它以熱點領(lǐng)域應(yīng)用為背景，以SOC設(shè)計為目標(biāo)培養(yǎng)人才的兩大基本素質(zhì)，以四大知識板塊為支撐指導(dǎo)課程體系規(guī)劃。

兩大基本素質(zhì)包括“電路”和“系統(tǒng)”，這里的 “電路”是指懂得集成電路設(shè)計的理論與方法，“系統(tǒng)”是指了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、算法和應(yīng)用，兩者相輔相成，“電路”素質(zhì)支持SOC芯片設(shè)計，“系統(tǒng)”素質(zhì)支持SOC架構(gòu)規(guī)劃和應(yīng)用開發(fā)。

“電路”素質(zhì)的培養(yǎng)應(yīng)在電子信息大類知識體系的基礎(chǔ)上，強化集成電路設(shè)計的理論與方法，這樣才能把集成電路設(shè)計人才與普通電子信息大類人才區(qū)分開來。模擬集成電路設(shè)計能力和數(shù)字集成電路設(shè)計能力是構(gòu)成“電路”素質(zhì)的兩個重要方面，不要因為專業(yè)定位或者師資不全等原因而偏向其一，造成學(xué)生知識體系殘缺，影響學(xué)術(shù)深造和職業(yè)發(fā)展。

圖1 人才培養(yǎng)方案邏輯框圖

“系統(tǒng)”素質(zhì)的培養(yǎng)包括兩個方面，一是常見協(xié)議和經(jīng)典算法的通識教育，另一個是嵌入式開發(fā)能力的培養(yǎng)。前者包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、總線協(xié)議、通信協(xié)議、圖像壓縮算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等，后者包括CUP體系結(jié)構(gòu)原理、操作系統(tǒng)移植、BIOS設(shè)置和APP開發(fā)等基本原理和流程等。

“系統(tǒng)”素質(zhì)不足或缺失將會導(dǎo)致學(xué)生只會設(shè)計電路模塊，不懂SOC結(jié)構(gòu)原理，在項目團隊中始終處于邊緣和被支配的地位，這也是目前本科階段集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)的一個痛點。

2 四大知識板塊

兩大基本素質(zhì)培養(yǎng)需要四大知識板塊的支撐，即硬件知識板塊、嵌入式知識板塊、系統(tǒng)應(yīng)用知識板塊和前沿科技知識板塊。硬件知識板塊支撐“電路”素質(zhì)培養(yǎng)，嵌入式、系統(tǒng)應(yīng)用和前沿科技知識板塊支撐“系統(tǒng)”素質(zhì)培養(yǎng)，這四大知識板塊相互配合，共同構(gòu)成集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)的知識體系。

硬件知識板塊是由電路理論和集成電路原理與設(shè)計兩部分構(gòu)成，其中前者是集成電路設(shè)計的理論基礎(chǔ)，而后者是集成電路設(shè)計的物理實現(xiàn)，是集成電路設(shè)計專業(yè)標(biāo)志性的教學(xué)內(nèi)容，也是“電路”素質(zhì)培養(yǎng)的核心內(nèi)容。

嵌入式知識板塊由單片機原理、微機接口和嵌入式開發(fā)等內(nèi)容構(gòu)成，由于現(xiàn)代SOC芯片通常以嵌入式CPU為核心，以總線架構(gòu)為紐帶，將各種傳感、通信和算法模塊結(jié)合在一起，通過軟件調(diào)度完成系統(tǒng)功能，這個知識板塊有助于SOC架構(gòu)規(guī)劃和芯片設(shè)計與開發(fā)，是“系統(tǒng)”素質(zhì)培養(yǎng)的重要內(nèi)容。

系統(tǒng)應(yīng)用知識板塊由網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、總線和經(jīng)典算法的基礎(chǔ)知識構(gòu)成，主要知識點包括移動通信、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、音視頻處理、信息安全、藍牙、WiFi和Zigbee等。這個板塊可以提高“系統(tǒng)”素質(zhì)，扭轉(zhuǎn)學(xué)生在SOC項目中只懂電路模塊不懂系統(tǒng)原理的被動局面，避免被邊緣化。

前沿科技知識板塊由物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能傳感和區(qū)塊鏈等等熱點領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、應(yīng)用前景、主要挑戰(zhàn)和發(fā)展動態(tài)等內(nèi)容構(gòu)成，主要是幫助學(xué)生開闊視野，增長見識，為學(xué)生們以后進行SOC項目研發(fā)、確定專業(yè)研究方向和制定職業(yè)規(guī)劃做必要的準(zhǔn)備。

3 板塊教學(xué)目標(biāo)與核心課程設(shè)置

硬件知識板塊教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生初步具備模擬和數(shù)字集成電路的設(shè)計能力，其中模擬部分要具備從電路結(jié)構(gòu)確定、參數(shù)計算、原理圖輸入、Spice仿真、Layout、DRC、LVS和后仿真的全流程設(shè)計能力和相應(yīng)的EDA軟件操作能力；而數(shù)字部分要具備從Verilog代碼設(shè)計與仿真、FPGA硬件測試、邏輯綜合、時序分析(Pre-STA)、自動布局布線(P&R)、DRC和LVS等全流程的數(shù)字芯片設(shè)計能力和相應(yīng)的EDA軟件操作能力。

硬件知識板塊的核心課程由兩部分構(gòu)成，一部分是電子信息大類中與電路相關(guān)的核心課程，另一部分是與集成電路設(shè)計相關(guān)的核心課程，包括“半導(dǎo)體物理”、“模擬集成電路設(shè)計”、“數(shù)字集成電路設(shè)計”、“混合信號集成電路設(shè)計”、“RF CMOS集成電路設(shè)計”等。這兩部分課程內(nèi)容共同構(gòu)成了集成電路設(shè)計的理論與方法，前者為理論基礎(chǔ)，后者為設(shè)計實現(xiàn)。

雖然硬件知識板塊的核心課程也配有一定實驗，但是這些課程畢竟是以理論教學(xué)為主的，其實驗項目和實驗步驟不一定能覆蓋完整的設(shè)計流程，因此需要開設(shè)一些選修課和實驗課進行補充。例如，模擬集成電路設(shè)計方面增開“版圖設(shè)計”課程，強化 Layout matching(版圖匹配)、Latchup(閂鎖)、ESD(靜電放電)、EM(電遷移)和Guardring(保護環(huán))等與版圖設(shè)計相關(guān)的重要概念和方法；數(shù)字集成電路設(shè)計方面增開“數(shù)字集成電路設(shè)計流程”課程，內(nèi)容涵蓋邏輯綜合、時序分析和自動布局布線的理論與方法，以及與之相關(guān)的重要概念，例如setup-time、hold-time、時鐘樹和掃描鏈等。

編寫硬件知識板塊課程教學(xué)大綱要統(tǒng)籌規(guī)劃各門課程內(nèi)容，合理分解教學(xué)目標(biāo)，以保證知識體系的系統(tǒng)性和完整性。不要簡單地按照所選教材的章節(jié)內(nèi)容編寫教學(xué)大綱，這樣很容易造成知識點的重復(fù)或缺失，出現(xiàn)集成電路設(shè)計流程覆蓋不完整的情況。例如，Verilog代碼設(shè)計經(jīng)常會在數(shù)字電路、FPGA或EDA設(shè)計類教材中重復(fù)出現(xiàn)，而邏輯綜合和靜態(tài)時序分析等內(nèi)容卻很少出現(xiàn)在數(shù)字集成電路設(shè)計類的教材中。

嵌入式知識板塊教學(xué)目標(biāo)包括兩個部分，即培養(yǎng)嵌入式開發(fā)能力和了解CPU體系結(jié)構(gòu)。嵌入式開發(fā)能力，既包括操作系統(tǒng)移植、裁剪和BIOS設(shè)置，也包括嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)，是SOC芯片設(shè)計項目和大多數(shù)電子信息產(chǎn)品研發(fā)的主要內(nèi)容，具有很強的實用性；了解CPU體系結(jié)構(gòu)是理解CUP指令集和設(shè)計、評估與使用嵌入式CPU的基礎(chǔ)，在SOC設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。

嵌入式知識板塊的核心課程可由CPU體系結(jié)構(gòu)、計算機語言和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)三類課程構(gòu)成。其中CPU體系結(jié)構(gòu)類課程可以選擇“CUP體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計”、“單片機原理與微機接口”或“ARM、RISC-V指令集與CPU設(shè)計”等一到兩門課程；計算機語言類課程應(yīng)主要以像“C程序設(shè)計”和 “Java程序設(shè)計”等比較低級的面向?qū)ο蟮恼Z言課程為主；嵌入式系統(tǒng)開發(fā)類課程則包括“嵌入式操作系統(tǒng)”、“操作系統(tǒng)移植與BIOS設(shè)置”等與嵌入式開發(fā)流程相關(guān)的課程。

系統(tǒng)應(yīng)用知識板塊的主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解常見的通信系統(tǒng)、總線協(xié)議和算法原理等基礎(chǔ)知識。它們是SOC架構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。由于畢竟不是計算機或通信專業(yè)的學(xué)生，這個知識板塊的教學(xué)深度和考核難度可以適當(dāng)降低。

系統(tǒng)應(yīng)用知識板塊的核心課程包括“計算機網(wǎng)絡(luò)和下一代互聯(lián)網(wǎng)”、“通信原理”、“通信協(xié)議和總線接口”、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法”、“物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)原理”和“音視頻處理與識別”等等，可將它們設(shè)置成選修課，供學(xué)生們有針對性地選擇。

前沿科技知識板塊的教學(xué)目標(biāo)是開闊學(xué)生視野，了解前沿科技發(fā)展動態(tài)，使學(xué)生能緊跟技術(shù)潮流，選擇正確的職業(yè)發(fā)展方向。內(nèi)容包括新興和熱門領(lǐng)域的主要功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、核心算法、熱門詞匯、技術(shù)難點和關(guān)鍵問題等，由于內(nèi)容較多，只要有所了解即可，主要目的是擴展知識面。(李金城文)

前沿科技知識板塊主要以選修課、專題講座、學(xué)術(shù)報告或技術(shù)討論等形式展開，涵蓋的領(lǐng)域可以包括器件、工藝、通信、導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、信息安全、區(qū)塊鏈、MEMS和石墨烯等等，做到與時俱進，動態(tài)調(diào)整，在教學(xué)管理時進行必要的學(xué)分認定，以確保這個板塊的教學(xué)效果。

上述四大知識板支撐兩大素質(zhì)的培養(yǎng)，改進了原來“重電路輕系統(tǒng)”培養(yǎng)模式的不足之處。為了保證各知識板塊能完整到位，制訂培養(yǎng)計劃時應(yīng)合理劃分選修課程模塊，避免選課沖突，并引導(dǎo)學(xué)生按照知識體系選擇課程，必要時可以給出選課建議或制定選課規(guī)則，以減少盲目選課或者避重就輕湊學(xué)分情況的出現(xiàn)，使核心課程與選修課程相互配合，構(gòu)成完整的知識體系，防止知識結(jié)構(gòu)碎片化。

4 結(jié)語

本文以《綱要》為指導(dǎo)，以電子信息產(chǎn)業(yè)熱點領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用為背景，以SOC設(shè)計為目標(biāo)，提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展對集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)的兩大基本素質(zhì)要求，給出支撐兩大基本素質(zhì)培養(yǎng)的四大知識板塊，并對每個知識板塊的主要目標(biāo)和核心課程進行了討論。本文對相關(guān)院校制訂集成電路設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)方案和編寫教學(xué)大綱具有一定參考價值。