“射頻集成電路”課程教學(xué)改革的探索與思考

王科平 魏 國 洪 然 宋嘉勛

(天津大學(xué) 微電子學(xué)院， 天津 300072)

集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，在計(jì)算機(jī)、通信、軍工產(chǎn)品、汽車電子等領(lǐng)域有著關(guān)鍵作用，是全球發(fā)達(dá)國家和軍事大國搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，很多國家在這一領(lǐng)域投入了大量創(chuàng)新資源，競爭日趨激烈,集成電路成為了目前國家間博弈的重要因素[1]。近幾年，中美之間由貿(mào)易戰(zhàn)變?yōu)榭萍紤?zhàn)，從2018年7月開始美國先后把近百家中國企業(yè)列入實(shí)體清單，實(shí)行高科技出口管制。其中包括限制對中國通訊巨頭華為的芯片供應(yīng)，因此集成電路成為“中美科技戰(zhàn)”的關(guān)鍵戰(zhàn)場。所以我國目前高度重視集成電路行業(yè)的發(fā)展，多年來出臺(tái)多項(xiàng)政策支持我國集成電路的發(fā)展，2020年11月份，中國共產(chǎn)黨第十九屆中央委員會(huì)第五次全體會(huì)議通過了《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》正式將集成電路寫進(jìn)中國“十四五”規(guī)劃，旨在我國新體制下，打好關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，突破我國在集成電路領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)。同時(shí)我國也開展了“新工科”計(jì)劃，集成電路工程成為其中關(guān)鍵一環(huán)，清華大學(xué)、北京大學(xué)也率先成立了集成電路學(xué)院[2]。

“射頻集成電路”作為集成電路設(shè)計(jì)的核心課程，對提升學(xué)生對集成電路設(shè)計(jì)、射頻芯片測試、無線收發(fā)系統(tǒng)的理解具有極其重要的作用[3]。為了落實(shí)習(xí)近平同志在全國高校思想政治工作會(huì)議講話精神，積極推動(dòng)新發(fā)展階段“培養(yǎng)什么人”“怎樣培養(yǎng)人”和“為誰培養(yǎng)人”的重大時(shí)代課題，同時(shí)為了更有效地推進(jìn)“新工科”建設(shè)，踐行“新工科”教育理念，培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，數(shù)字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才，課程團(tuán)隊(duì)對整個(gè)教學(xué)體系進(jìn)行改革，在“射頻集成電路”課程教學(xué)和相關(guān)人才培養(yǎng)方面進(jìn)行了創(chuàng)新型探索。

1 傳統(tǒng)培養(yǎng)模式存在的問題

射頻集成電路是研究無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的學(xué)科，涉及集成電路中的諸多模塊如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、鎖相環(huán)等?！吧漕l集成電路”課程是一門多學(xué)科交叉型課程，涉及高等數(shù)學(xué)、電路分析基礎(chǔ)、模擬電路理論、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、高頻電路基礎(chǔ)、射頻微波電路理論、無線通信原理等。涵蓋的知識(shí)面廣，難度較大。受教學(xué)時(shí)間和教學(xué)經(jīng)費(fèi)等限制，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式存在以下問題：

1.1 缺乏價(jià)值導(dǎo)向，家國情懷有待提高

學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中很難培養(yǎng)真正的專業(yè)興趣和以專業(yè)為基礎(chǔ)的個(gè)人理想，大多數(shù)學(xué)生因?yàn)楦玫木蜆I(yè)前景和更高的薪水而進(jìn)行專業(yè)選擇或繼續(xù)深造，缺乏正確的價(jià)值引領(lǐng)，在目前國內(nèi)面臨芯片行業(yè)“卡脖子”和“新工科”建設(shè)的情況下，學(xué)生以自己所學(xué)專業(yè)去投身祖國科技建設(shè)的內(nèi)動(dòng)力不足，缺乏家國情懷的灌輸和正確價(jià)值觀的樹立。所以當(dāng)前芯片人才的培養(yǎng)首要解決的問題是如何提升學(xué)生的專業(yè)使命和家國情懷。

1.2 知識(shí)過于經(jīng)典，創(chuàng)新思想灌輸不足

隨著晶體管特征尺寸的不斷縮小，寄生參數(shù)變化明顯，并且為了順應(yīng)低功耗的要求，新的電路結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，每年芯片領(lǐng)域頂級期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC) 中的電路設(shè)計(jì)極為巧妙，創(chuàng)新速度飛快。而“射頻集成電路”的教材內(nèi)容還都是多年前的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，滯后于時(shí)代發(fā)展，缺乏對創(chuàng)新型設(shè)計(jì)的引領(lǐng)。

1.3 傳統(tǒng)講授模式，多元教學(xué)模式缺乏

目前的“射頻集成電路”課程仍以教師講授圖文式PPT課件為主。在如今電子設(shè)備極其先進(jìn)的時(shí)代，課程的多媒體課件不夠豐富，工程實(shí)踐應(yīng)用內(nèi)容不夠突出，學(xué)生缺乏對設(shè)計(jì)的感性認(rèn)知。同時(shí)學(xué)生在課堂上缺乏積極思考，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足，教學(xué)中沒有體現(xiàn)啟發(fā)式互動(dòng)性教學(xué)。

1.4 實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不足，理論與設(shè)計(jì)難結(jié)合

由于射頻集成電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜和繁瑣，想要真正掌握電路的設(shè)計(jì)，軟件使用、電路理論、流片測試缺一不可[4]。三者之間相互影響的過程需要反復(fù)迭代很久，才能真正做到知行合一。但因?yàn)檎n時(shí)和經(jīng)費(fèi)的原因，讓學(xué)生進(jìn)行完整的流片設(shè)計(jì)并不現(xiàn)實(shí)。盡管通過視頻和各種教程可以讓學(xué)生們了解軟件的使用，仍難以達(dá)到對設(shè)計(jì)過程的深入理解和綜合運(yùn)用，造成理論與設(shè)計(jì)相脫節(jié)的問題。

1.5 缺乏交流平臺(tái)，無法快速解決問題

集成電路作為高精端行業(yè)，高校獨(dú)立進(jìn)行人才培養(yǎng)比較困難[5]。需要企業(yè)的技術(shù)與資金等方面的支持，打造產(chǎn)學(xué)研共建平臺(tái)。為了增加學(xué)生的行業(yè)認(rèn)同感，積極倡導(dǎo)合作共贏，共同加速我國集成電路自立自強(qiáng)的進(jìn)程，國內(nèi)各大高校應(yīng)該進(jìn)行學(xué)術(shù)科研交流活動(dòng)，搭建交流平臺(tái)。但目前平臺(tái)的建設(shè)仍屬于發(fā)展階段，人才培養(yǎng)模式不夠健全，不能快速及時(shí)響應(yīng)學(xué)生需求。

2 改革思路及具體措施

為了解決傳統(tǒng)授課模式出現(xiàn)的問題，以及貫徹落實(shí)國家大力培養(yǎng)集成電路人才的政策，“射頻集成電路”課程以學(xué)生為中心，緊密環(huán)繞微電子專業(yè)特點(diǎn)，推動(dòng)產(chǎn)、學(xué)、研有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的家國情懷和創(chuàng)新能力，形成“不斷完善，持續(xù)優(yōu)化，產(chǎn)出導(dǎo)向”的教改理念，使學(xué)生掌握真本領(lǐng)，敢于攻堅(jiān)克難，塑造新時(shí)代價(jià)值觀與大局觀。課程改革的詳細(xì)措施分為以下幾個(gè)方面：

2.1 注重課堂思政教育，培養(yǎng)學(xué)生愛國思想

眾所周知，在中美貿(mào)易戰(zhàn)中，美國通過多種方式限制對華出口高科技產(chǎn)品，對中國科技產(chǎn)業(yè)影響最大的莫過于限制芯片出口，中國企業(yè)如華為被迫從依賴進(jìn)口走到自主研發(fā)的路上。本課程從中尋找時(shí)事熱點(diǎn)并提取愛國元素，搬到課程中與學(xué)生一同探討交流，實(shí)現(xiàn)師生之間的思維碰撞，有效激發(fā)學(xué)生們的家國情懷與矢志報(bào)國的熱情。例如，在講授緒論這一章節(jié)時(shí)，組織學(xué)生通過調(diào)研文獻(xiàn)、查閱資料和問卷調(diào)查等方式進(jìn)行分享匯報(bào)，深切認(rèn)識(shí)到我國在射頻集成電路領(lǐng)域與國外的差距，指出發(fā)展的不足，探討未來微電子行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

課程從“立德樹人”角度出發(fā)，通過課程思政教育的引導(dǎo)，有效增強(qiáng)了學(xué)生們的家國情懷，積極響應(yīng)國家發(fā)展集成電路的政策，構(gòu)建掌握“卡脖子”技術(shù)、突破國外封鎖、堅(jiān)持自主創(chuàng)新的價(jià)值觀與就業(yè)觀。

2.2 摒棄單一評價(jià)方式，創(chuàng)建多維考核體系

傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)考核一般為期末考試和平時(shí)成績(多為課堂點(diǎn)名簽到)占不同比重給出，評價(jià)方式單一，限制多元文化課堂的發(fā)展。本課程注重學(xué)習(xí)過程考核，開展全方位、多過程評價(jià)，將理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐調(diào)研和團(tuán)隊(duì)合作有機(jī)融合在一起，極大發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。課程具體考核方式如圖1所示。在課程教學(xué)中，借助專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)輔助進(jìn)行隨堂測驗(yàn)，有效監(jiān)測學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂作業(yè)提交和課后答疑。課程設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)前射頻集成電路發(fā)展前沿，基于專業(yè)的仿真軟件，設(shè)計(jì)應(yīng)用于射頻接收機(jī)的Low Noise Amplifier(LNA)，滿足相應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)不同工藝庫畫出版圖，給出前后仿真結(jié)果，并且課設(shè)成績優(yōu)異的學(xué)生可以將自己的設(shè)計(jì)參與到流片項(xiàng)目中，具有一定的實(shí)踐意義。分享匯報(bào)則采用課前分享、組內(nèi)自評、組間互評和教師點(diǎn)評等方式，多維度考核，強(qiáng)化師生之間交流，促進(jìn)學(xué)生之間合作，避免了“唯考試論”“唯分?jǐn)?shù)論”等不良單一評價(jià)體系，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

圖1 課程教學(xué)考核方式

2.3 升級課程教學(xué)結(jié)構(gòu)，重視基礎(chǔ)知識(shí)理解

“射頻集成電路”課程涉及學(xué)科范圍廣，如物理、天線、微波和電路等，內(nèi)容龐大，專業(yè)性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)繁多，這也是新工科背景下學(xué)科交叉的體現(xiàn)[6]。因此課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)悉心分析課程脈絡(luò)，找準(zhǔn)知識(shí)點(diǎn)，厘清章節(jié)之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建如圖2所示的多層知識(shí)體系結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)是理論講解，畢竟教材很難做到實(shí)時(shí)更新集成電路的最新進(jìn)展與電路創(chuàng)新，因此借助國內(nèi)外著作和相關(guān)的頂刊論文協(xié)助對傳統(tǒng)教材里的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充說明，其次通過仿真工具來驗(yàn)證理論，有助于學(xué)生對基本理論更好的吸收掌握。通過引入具體的工程案例來提高學(xué)生的興趣。例如天津大學(xué)1993級半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)校友林松華于2021年給母校捐贈(zèng)3.13億，支持母校與微電子學(xué)院建設(shè)。鼓勵(lì)學(xué)生向優(yōu)秀校友學(xué)習(xí)，愛國榮校，掌握真本領(lǐng)，做出“中國芯”，回報(bào)社會(huì)。通過理論講解-仿真驗(yàn)證-工程案例-綜合設(shè)計(jì)-反思糾錯(cuò)的閉環(huán)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，循序漸進(jìn)，理論聯(lián)系實(shí)際，整合學(xué)科前沿和時(shí)政熱點(diǎn)融于課程，實(shí)現(xiàn)傳授知識(shí)和培養(yǎng)人才的雙重目的。

圖2 射頻集成電路課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

本課程共32學(xué)時(shí)，含答疑課2學(xué)時(shí)和校企聯(lián)合參觀環(huán)節(jié)2學(xué)時(shí)。授課內(nèi)容詳略得當(dāng)，合理安排重點(diǎn)難點(diǎn)。主要講授收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)、低噪聲放大器、無源器件和功率放大器，這些章節(jié)都是4學(xué)時(shí)。其余章節(jié)均為2學(xué)時(shí)，如：射頻設(shè)計(jì)中的基本概念、通信技術(shù)概論等。并且在每次上課前，預(yù)留出10分鐘進(jìn)行分享匯報(bào)環(huán)節(jié)。切實(shí)利用好每一節(jié)課，根據(jù)課堂反響和學(xué)生理解程度，靈活調(diào)整學(xué)時(shí)。

2.4 優(yōu)化動(dòng)手實(shí)踐能力，發(fā)揮自主創(chuàng)新作用

集成電路是我國科技發(fā)展的重要組成部分，是我國各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化的基礎(chǔ)。根據(jù)我國國民經(jīng)濟(jì)“八五”計(jì)劃至“十四五”規(guī)劃，國家對集成電路行業(yè)的支持政策經(jīng)歷了從“加強(qiáng)發(fā)展”到“重點(diǎn)發(fā)展”再到“舉國體制大力發(fā)展”的變化[7]。但是即使有利好政策的支持，也不可能做到每位本科生參與流片。因此，本課程利用專業(yè)仿真設(shè)計(jì)軟件作為課程教學(xué)的有益補(bǔ)充，將課程設(shè)計(jì)的理論電路在仿真軟件上實(shí)現(xiàn)，有效解決生搬硬套和灌輸理論等問題。

實(shí)踐教學(xué)的部分框圖如圖3所示。以課程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以專業(yè)仿真設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，通過選用合適的器件與工藝庫，學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的電路在軟件上實(shí)現(xiàn)，并繪畫版圖，滿足Design Rule Check(DRC)、Layout Versus Schematics(LVS)、天線效應(yīng)和Electrostatic Discharge(ESD)等規(guī)則后，提參后仿，與前仿性能作比較，以LNA為例，如：噪聲、增益、匹配等參數(shù)，高頻情況下還需作電磁場仿真作為補(bǔ)充驗(yàn)證，擇優(yōu)選取進(jìn)行流片、測試。通過開放式的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生掌握了流片所需具備的條件，深入了解射頻集成電路從原理到制造再到實(shí)現(xiàn)功能的完整流程，而且能夠找到影響性能的主要因素，并予以解決。

此外，課程還提供了測試平臺(tái)，沒有機(jī)會(huì)流片測試的學(xué)生可以走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室與研究生交流，學(xué)習(xí)測試知識(shí)。讓學(xué)生通過實(shí)際操作，親身感受芯片測試的工作環(huán)境和測試流程。圖4為學(xué)生請教研究生開展仿真設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)芯片測試的照片。

圖3 實(shí)踐教學(xué)的部分框圖

(a)

(b)圖4 仿真設(shè)計(jì)(a)與芯片測試(b)

學(xué)生在掌握理論基礎(chǔ)和電路設(shè)計(jì)后，通過產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)和校企聯(lián)合，開展集成電路設(shè)計(jì)工程實(shí)踐。由資深射頻集成電路工程師對集成電路設(shè)計(jì)的實(shí)踐課題進(jìn)行剖析，并結(jié)合行業(yè)前沿深入分析，使學(xué)生掌握在課堂和實(shí)驗(yàn)室無法獲得的設(shè)計(jì)技能，切實(shí)加深學(xué)生對電路原理和核心技術(shù)的理解。

通過構(gòu)建“仿真設(shè)計(jì)-版圖繪畫-流片測試”虛實(shí)結(jié)合、理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)操的能力，發(fā)揮自己的自主創(chuàng)新作用。此外，學(xué)生通過與研究生的溝通交流也了解到集成電路人才就業(yè)的具體需求，促使其主動(dòng)構(gòu)建理論應(yīng)用于實(shí)際的知識(shí)體系。

3 結(jié)語

“射頻集成電路”課程通過教學(xué)改革，在新工科背景下注重學(xué)生的家國情懷塑造、理論傳授與能力培養(yǎng)，在教學(xué)模式改革等方面取得了較大成果。通過將仿真設(shè)計(jì)、開放式教學(xué)、動(dòng)手實(shí)操和產(chǎn)學(xué)研協(xié)同等教學(xué)體系有機(jī)融入課程，鞏固了學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，鍛煉了實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的愛國思想、自主創(chuàng)新和家國情懷，為“射頻集成電路”課程教學(xué)改革和集成電路領(lǐng)域人才培養(yǎng)提供了一定的參考。