集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺建設

陳 卉 張華斌 陳李勝 胡云峰

(電子科技大學中山學院 電子信息學院， 中山 528402)

教育信息化是國家推動高等教育改革的重要舉措，虛擬仿真教學逐漸成為高等教育信息化的重要內(nèi)容和研究熱點[1]。作為省一流本科專業(yè)建設點重點打造的“集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺”，為多元化實驗教學模式推廣提供了更有力的支撐。傳統(tǒng)的實驗室在空間和時間上局限性較大，而虛擬仿真平臺將傳統(tǒng)的教學模式和虛擬仿真技術融為一體，打破時間和空間的局限性，將集成電路系列課程的相關理論知識形象化、具體化、可視化，激發(fā)學習者的創(chuàng)新意識和能力，調(diào)動學習者對實踐教學和科創(chuàng)活動的參與性和學習動力[2-3]。

虛擬仿真實驗室的建設對于提高實踐教學質(zhì)量、推進產(chǎn)教融合實踐教學模式、滿足學習者將來在集成電路行業(yè)的職業(yè)發(fā)展需求等方面具有重要的意義。

1 整體規(guī)劃

在已建成的“廣東省納米光電功能薄膜與器件工程技術研究中心”和省級“物聯(lián)網(wǎng)應用技術及智能制造工程技術研究中心”基礎上，繼續(xù)建設“集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺”，逐步形成具有專業(yè)特色的“器件-芯片-系統(tǒng)”三級聯(lián)動省級“產(chǎn)教研”創(chuàng)新實踐平臺。加強與行業(yè)企業(yè)在人才培養(yǎng)、技術開發(fā)應用等領域的合作，探索工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式，為企業(yè)提供科研服務和培訓服務，提升專業(yè)教師執(zhí)教能力，使創(chuàng)新實踐平臺的資源為行業(yè)共享。

“集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺”是一個資源整合的平臺，是將半導體器件和集成電路設計流程通過虛擬技術在電子計算機呈現(xiàn)出來，將傳統(tǒng)實驗與信息技術融合成為一個以硬件為基礎，軟件為核心，學習者為中心的教學模式[4]?！凹呻娐诽摂M仿真創(chuàng)新實踐平臺”硬件設備有高性能服務器，電腦客戶端，控制終端等。軟件環(huán)境有工藝與器件虛擬仿真軟件Silvaco TCAD的process 和Device simulator 的完全版本、集成電路虛擬仿真軟件華大九天EDA工具軟件V15，以及教學管理軟件紅蜘蛛多媒體網(wǎng)絡教室軟件等。軟硬件平臺完全滿足教學和科研需求，虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺整體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺整體規(guī)劃圖

開發(fā)“集成電路虛擬仿真平臺教學中心”網(wǎng)站建立對外信息共享平臺。搭建兩個子平臺：“器件與工藝實驗平臺”“集成電路實驗平臺”，分別支撐專業(yè)核心教學科研創(chuàng)新團隊“半導體物理器件工藝課程組”和“集成電路課程組”。支持隨時通過網(wǎng)站遠程登錄訪問實驗室服務器，運行仿真軟件進行課題開發(fā)[5]。網(wǎng)站一體化集成專業(yè)系列課程的教學資源及開發(fā)案例，供學習者自主柔性學習。培養(yǎng)學習者獨立進行微電子器件、工藝和集成電路設計的能力，打造優(yōu)質(zhì)集成電路技術人才[6]。

2 虛擬仿真平臺網(wǎng)站設計

“集成電路虛擬仿真平臺教學中心”網(wǎng)站是對外推廣的窗口，提供資源共享平臺，支持特定權限遠程登錄訪問集成電路實驗室服務器，一體化集成專業(yè)課程資源，零散知識系統(tǒng)化，促進協(xié)同教學。由首頁、中心概況、師資隊伍、理論課程資源、實驗課程資源、校企合作、留言評論幾個模塊構成，主界面如圖2所示[7-8]。網(wǎng)站由教學團隊自主開發(fā)，便于資源的更新和拓展。

圖2 集成電路虛擬仿真平臺教學中心主界面

2.1 網(wǎng)站功能模塊設計

從圖1可以看出，網(wǎng)站共有以下幾個模塊構成：

1)首頁模塊

首頁由中心簡介、新聞動態(tài)、集成電路發(fā)展歷程、課程資料四個模塊構成。中心簡介描述了建設虛擬仿真平臺的背景和意義。新聞動態(tài)發(fā)布集成電路研究熱點及師生成果等。集成電路發(fā)展歷程通過簡單的圖片和文字介紹，讓學習者了解集成電路的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。課程資料陳列了平臺目前支撐的課程體系。

2)中心概況模塊

中心概況模塊介紹虛擬仿真實驗中心支持的專業(yè)實驗實踐項目、開放創(chuàng)新性實驗項目、畢業(yè)設計等，以及可開展的科研工作。

3)師資隊伍模塊

師資隊伍模塊介紹專業(yè)教師的教育經(jīng)歷、工作經(jīng)歷、研究方向、研究成果等。學習者可以根據(jù)自身興趣及特長，參與相關課題研究。企業(yè)可以根據(jù)項目需求，建立產(chǎn)學研合作。

4)理論課程資源模塊

理論課程資源模塊包含了專業(yè)核心課程的電子教材、課件、參考書籍等，系統(tǒng)打造專業(yè)知識鏈，學習者可隨時查閱相關資料完成課題數(shù)據(jù)分析。

5)實驗課程資源模塊

實驗課程資料模塊包含了專業(yè)實驗實踐課程的實驗指導書、實驗案例、用戶手冊等。豐富的線上資源，供學習者自主柔性學習，完成課題任務。

6)虛擬仿真入口模塊

虛擬仿真入口模塊支持特定權限遠程登錄訪問集成電路實驗室服務器，啟動Silvaco完成工藝與器件設計相關課題，啟動華大九天完成集成電路設計相關課題。

7)校企合作模塊

校企合作模塊展示了專業(yè)教師帶領學生，近2年與企業(yè)合作的項目情況。鼓勵專業(yè)師生積極參與科研項目，促進教學與科研的深度融合。

8)留言評論模塊

留言評論模塊可以增進學習者之間的交流，共同探索課題研究過程的疑難問題，收集學習者對虛擬仿真平臺的建議，進一步優(yōu)化完善現(xiàn)有資源。

2.2 遠程登錄控制實施

虛擬仿真入口頁面有2個端口，器件與工藝設計仿真入口和集成電路虛擬仿真入口，點擊端口啟動VNC客戶端，通過密碼遠程登錄訪問集成電路實驗室對應服務器，啟動仿真軟件，進行課題開發(fā)，遠程登錄控制頁面如圖3所示。遠程登錄訪問打破了傳實踐教學空間和時間限制，學習者在特定權限下，可隨時啟動仿真軟件進行課題開發(fā)，降低訪問者設備性能要求，極大提高仿真效率。自動分配流量，無需人工溝通，訪問結束流量立刻回收，提高管理效率。

圖3 遠程登錄控制頁面

3 創(chuàng)新實踐平臺科教融合體系設計

虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺支撐“半導體物理器件工藝課程組”和“集成電路課程組”相關課程教學和產(chǎn)學研合作。構建“專業(yè)基礎能力”“設計開發(fā)能力”“綜合應用能力”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”遞進式能力培養(yǎng)實踐教學體系。實踐教學從“知識型零散式”向“項目型集成式”轉(zhuǎn)變，學生的知識結構從傳統(tǒng)知識進階型向工程能力提升轉(zhuǎn)變型轉(zhuǎn)換。

實驗教學分3個層次展開[9]，如圖4所示。驗證性實驗，這一階段學生已經(jīng)完成相關理論知識的學習，以所學器件或者電路為原型，通過對比實驗，調(diào)試工藝參數(shù)、結構參數(shù)對器件性能影響，或者器件模型參數(shù)、電路結構對電路性能影響，并根據(jù)所學理論知識，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，獲取最優(yōu)方案。綜合設計性實驗，給出指標要求，學生根據(jù)所學器件或者電路原型，自己查閱資料，設計新的器件模型或者電路模型，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維以及分析問題、解決問題的能力。整合性專題實作課程(Capstone)，以真實項目為驅(qū)動，通過團隊協(xié)作完成實作作品，整合專業(yè)零散的知識與技能，使學生較系統(tǒng)地掌握并熟練使用項目開發(fā)的仿真軟件平臺，具備產(chǎn)品設計的初步能力。培養(yǎng)學生團隊協(xié)作、資料查閱、自主學習能力，培養(yǎng)學生對工程技術問題嚴肅認真和負責任的態(tài)度。

圖4 創(chuàng)新實踐平臺支撐課程體系圖

虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺除了支撐教學計劃內(nèi)實驗教學外，還結合專業(yè)教師的學術研究開設開放性實驗教學，推進以問題為核心的課外實踐性學習，激發(fā)學習者學習興趣及研究問題的主動性。打造教學與科研共用平臺，服務地方企業(yè)，吸納學生參與平臺科創(chuàng)活動。實施橫合教學及研究、縱聯(lián)產(chǎn)業(yè)需求，橫縱締交，協(xié)同育人的產(chǎn)學研教人才培養(yǎng)模式。通過教學、科研與產(chǎn)業(yè)相互融合，實現(xiàn)以研促教、教學相長、協(xié)同創(chuàng)新。

4 結語

響應國家集成電路發(fā)展戰(zhàn)略，建設“集成電路虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺”，形成理論技術與實踐相互結合、專業(yè)與產(chǎn)業(yè)相互促進的“產(chǎn)教研”人才培養(yǎng)模式。學習者能夠在虛擬仿真環(huán)境真實模擬半導體器件制備流程和集成電路設計流程，較為枯燥和抽象的理論知識在進行仿真演示后變得形象直觀，激發(fā)學習者學習積極性，提高教學質(zhì)量。虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺的引入，強化學生自主性和問題意識，訓練創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)科學實踐能力，豐富教師教學手段，提升教師科研能力，實現(xiàn)信息技術與實驗教學的有機融合[10]。促進產(chǎn)學研深度合作，開展與產(chǎn)業(yè)結合的理論應用和技術開發(fā)，探索以推動創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導向的工程教育新模式。虛擬仿真創(chuàng)新實踐平臺是不斷發(fā)展和完善的，通過引進和培養(yǎng)不斷優(yōu)化師資隊伍結構，豐富教學案例，涵蓋更廣泛的專業(yè)內(nèi)容，實時更新教學科研情況，增強服務器的承受力，面向更多學習者開放，為集成電路行業(yè)人才輸送奠定基石。