集成電路特色專業課程與實驗教學研究

摘要 集成電路是電子信息技術的核心。因此,加速集成電路人才培養,在教學內容、課程體系、教學方法和實踐環節等方面的改革成為當前高等教育集成電路人才培養的重要和緊迫任務。為保證集成電路設計專業學生緊跟當前主流設計思想,原有課程和教學規劃將面對全新的問題,急需開展相應的教學研究,主要包括教學內容、教學方法和實驗方法。根據北航電子信息學院的自身特點并借鑒其他院校的教學經驗,課程理論與工程實際緊密結合,在設計實現方面,采用課堂和課后結合的方式,著力培養懂理論、重實踐、勤思考的高素質復合型人才。

關鍵詞 集成電路(IC);設計實現;教學研究和高等教育

中圖分類號:G642.423 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)27-0069-03

Teaching Studying of Course and Experiment about IC Design//Li Hongge

Abstract The integrated circuit is the core of electronics information technology. In order to confirm the consistency between IC design professional and mainstream design method, the older course must adjust about teaching content and experiment method and so on. This teaching reforming complete the combination of theory and engineering, and its aim is of training the high-quality talent with theory, practice and considering.

Key words IC; design implementation; teaching studying and higher education

Authors address School of Electronic Informational Engineering, Beihang University, 100191, China

當前,作為電子信息技術的核心,集成電路設計是國家高新技術的支柱性產業,也是保障國防安全的戰略性產業。因此,加速集成電路人才培養是高等學校迫在眉睫的重任。由于我國半導體產業特別是集成電路較發達國家有較大的差距,我國傳統的半導體專業劃歸為微電子學與固體電子學,其教授的核心主要集中在半導體理論方面,而對于集成電路設計的理論和方法相對薄弱。然而,隨著半導體產業的飛速發展,國際主流趨勢已經轉變為Design House(集成電路設計公司)和Foundry(芯片代工廠)前后銜接與配合的模式。與此同時,相關的高等教育也必須符合產業界發展的需求,因此,集成電路專業的高等教育在教學內容、課程體系、教學方法和設計實踐等環節的改革成為當前高等教育中集成電路人才培養重要和緊迫任務。新的專業發展趨勢帶來新教學方法和與之配套的設計實踐,面對這些全新的問題,需要開展相應的教學研究,主要包括教學內容、教學方法和實驗方法。根據北航電子信息工程學院自身特點并借鑒其他院校的教學經驗,新教學法主要圍繞以集成電路設計原理為主,配合主流IC設計方法且與工程實際緊密結合的體系模式,在設計實踐方面,為保證學生對IC設計流程及方法的充分理解,采用課堂教學與專業課程設計全面結合的方式,著力培養懂理論、重實踐、勤思考的集成電路設計高素質復合型人才。

1 集成電路專業現狀

集成電路自1958年在德州儀器誕生以來,歷時半個多世紀的發展,在美日歐等發達國家的發展中已經日益完善。而在我國,現代意義的集成電路發展才經歷10年左右的歷程。對于本專業而言,當今主流集成電路設計理論和方法也是一新概念,新專業帶來新課程和新教學規劃,面對這些全新的問題,需要借鑒國際一流大學的教學經驗,結合已有基礎,探索一條適合于自我發展的途徑。

集成電路相關課程的教學規劃、實踐體系建設較薄弱,目前仍處于初級階段。現在,電子信息工程學院承擔著北航國家集成電路人才培養基地80%的IC人才培養任務。與此同時,學院已經完成多項與集成電路基礎課程相配套的課程建設和實驗環節,相關的精品課程建設和軟硬件實驗平臺的建設也正在實施中。盡管學院在集成電路基礎課程的建設上取得可喜的成績,但對于新開設的集成電路設計本科專業課程,有關教學內容需要根據當前國際流行的IC設計方法進行建設,這樣才能保證北航在國內外的教學地位和聲譽的進一步提升,也才能保證為國家輸出優秀的IC設計人才。因此,迫切需要建立和完善一套相應的教學實踐課程體系,同時需要在配套的教學方法上取得突破性進展,達到國際一流大學的目標。

新的教學要求會帶來一些問題。1)教學內容:本科階段夯實集成電路理論基礎知識與學生學習興趣的非匹配問題;專業特設課程內容與實際IC設計應用結合的問題。2)教學方法:大量的專業特設理論教學和以IC設計工程為對象的教學方法的基礎性與應用性矛盾問題;凸顯具有現代IC設計理念的教師授課方法與學生聽課的交互式學習問題。3)設計實踐:課堂教學內容和IC設計實踐結合問題;學生對集成電路設計流程工具(EDA工具)的理解和掌握的問題。

現在,本課程正處于教學內容建設和教學方法轉型期,包括多媒體課件制作、教材補充完善、配套練習題完善、教學實驗共享網站建設等。由于是結合國際最新IC發展方向的教學實踐課程,將通過圍繞新的教學內容建設而開展教學方法與課程實踐的探索、實現和研究。

2 課程教學改革方案與措施

2.1 教學內容夯實本科生牢固的專業基礎知識,適當引入和講解集成電路產業最新科技發展的研究方向。集成電路設計技術既具有極強的理論性又有時間約束性,因此,只有學習掌握牢固的理論基礎知識,才能在研究和挑戰世界領先的技術和方法上發揮潛能。

堅持把實際應用的設計案例分解到教學課程中,突出教學內容重點,重點講述關鍵知識點、核心技術,免除不必要的重復內容,使學生真正抓住重點,并使用應用案例說明理論基礎、關鍵技術,突出設計思考的方法。

模擬集成電路和數字集成電路(含集成電路設計方法學)是本專業新開設的2門課程,針對教學大綱的要求,確保學生掌握和理解模擬集成電路的運算放大器和開關電容電路等核心知識;確保學生對數字集成電路中CMOS電路的靜態和動態特性、時序組合邏輯電路、低功耗邏輯電路等知識的掌握和理解;同時講解當前系統集成最新技術發展動態,結合Verilog語言講授完整的基于單元系統設計方案。

2.2 教學方法完善多媒體課件和相關的教學資源。現代教育技術手段通常使用多樣化的教學方式,其中包括多媒體課件、網上教學共享系統以及網絡虛擬討論等,通過這些現代的教學方法可以極大地提高學生的學習熱情和主動探討的精神。2門課程分別完成2套與課程配套的內容翔實的教學課件,完成內網的教學資源建設以及配套服務。

加強教師授課與學生聽講的互動式學習方式。互動式教學主要體現在實驗階段,在此階段以學生為主、教師為輔、師生互動的方式激勵學生的探索精神。

課堂教學內容和生產實習、畢業設計實踐相結合。集成電路設計專業是以設計實現為中心的應用型課程,在實踐中讓學生充分掌握設計實現的全流程,并完成基于EDA工具的版圖仿真,在有條件的情況下讓學生參與流片和測試。在此基礎上,學生對集成電路設計工具(EDA工具)的理解和掌握將有進一步提高。

2.3 實驗環境建設集成電路工藝已經在深亞微米級別,單芯片集成的晶體管都在幾十萬、幾百萬門。集成電路實現的是以某一種系統為背景的設計,其復雜度的要求必須使用成熟的設計工具,因此,搭建完善的EDA實驗平臺是IC Design的前提條件。在數模混合設計和SOC系統級設計中,多工具多人同步協同驗證是必不可少的。同時,搭建完整的EDA網絡在保證數據的安全、提高協同設計等方面將具有至關重要的作用。此實驗網絡工程的組建有利于保證健全穩定的研究開發實施;有利于保證研發項目的數據安全;有利于保證多人同步設計與驗證的協調管理。實驗軟硬件平臺網絡規劃如圖1所示,圖2為網絡平臺下的全定制IC設計環境。

3 教改成果與創新

集成電路專業通過教學改革,實現教學內容與世界一流大學同步的教育方案,保證學生理解掌握課程理論思想與配套實驗。實現下列目標:1)完成設計實用案例貫穿于課程教學的全過程,確保學生在實際應用中理解教學內容的目標;2)完成2門課程相關的多媒體教學課件,完成配套的教學共享資源;3)實現學生全流程動手實驗方案,確保學生具有一定的設計思想和經驗;4)在國家特設專業建設經費與學校配套資金的支持下,搭建完成集成電路設計的環境平臺,提高學生的動手能力和工程實踐能力。

通過上述目標實現國家集成電路人才培養基地的確定目標,進而實現應用型、研究型和創新型的人才培養目標。

通過為期一年的教改實施,教改成果包括:1)完善教科書和當前最前沿技術相融合的多媒體課件及相關配套板書設計各一套,教學內容以教科書為主,以實際工程設計案例為輔,完成專業理論與工程實現的配套改革;2)建立完成適合集成電路人才培養基地的國家級IC設計軟硬件設計驗證平臺,編寫相關的實驗設計驗證事例,編寫模擬、數字2本相對應的實驗手冊和教材。

通過一年的教學與課程設計的改革,并對教改前后學生的實際情況進行調查分析:本專業的學生對專業課程及發展方向都產生濃厚的興趣,2009年暑期的生產實習,全班級有21名學生在本專業教研室內進行有關集成電路設計方面的實習工作,占全班級的72.4%;比較08年的5名學生,增長率達到54%。

從教改中可以凝練出,改革原有單純教科書的講授內容,采用結合實際設計案例為依托的聯系教學法,從而確保學生具有足夠的感性理解。同時,教學內容結合當前最新科技,豐富集成電路課程內容,從而擴展學生的學習視野,培養學生的自學能力,增強學生的創新意識。

完成以精品教學課件為基礎的教學方案,加強授課教師與聽講學生的良性互動,從而實現教學內容和手段的統一與協調。與此同時,完成網絡共享資源的合理利用,進而增強學生主動參與、主動思考以及主動創新的意識。

完善的集成電路設計驗證環境是學院在人才培養基地方面更進一步的標志。集成電路設計驗證環境根據不同的開發項目可以搭建與之相對應的靈活可靠的平臺和實驗數據庫,并完成相應的配套實驗資源,使學生明確教學實驗目的、改善教學實驗環境、提高設計實踐能力。

4 結束語

本文闡述了在當前條件下高校實施人才培養戰略時,集成電路專業如何更好地提高教學質量的教改策略和配套的實驗方案。通過教改前后的比較和分析,新的教學方案和實驗方法具有教授學習互動、認知實踐配合、理論工程互補的優勢。教改的結果表明,新的教學方法和實驗環境為國家IC培養基地提供了良好的環境,為國家急需的芯片核心技術的提升打下堅實的基礎。

集成電路產業是日新月異的產業,高校的教育要不斷緊跟國際的主流,為此,教師的責任尤為重要。與此同時,實驗環節的配套必須有一定的資金的支持,才能保證教改成果的持續和發展。

參考文獻

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