集成電路設計類課程的改革探索

趙琳娜， 虞致國， 梁海蓮， 閆大為

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

集成電路設計類課程的改革探索

趙琳娜， 虞致國， 梁海蓮， 閆大為

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

在現有的教學機制基礎上，本課程建設小組對集成電路設計類課程群進行了探索性的“多維一體”的教學改革，提出了新型集成電路設計類課程體系和教學模式，將工程案例教學法貫穿于課程的理論、實驗和作業環節，通過案例教學使學生掌握集成電路的前端和后端設計流程。

集成電路設計； 微電子專業； 課程體系； 教學模式

集成電路被稱為信息產業的“心臟”，其技術水平和發展規模已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標志之一[1]。為促進集成電路產業發展，2014年10月我國成立了集成電路產業投資基金重點投資集成電路芯片制造業，兼顧芯片設計、封裝測試、設備和材料等產業[2]，該基金會的設立，提高了整個集成電路產業鏈的信心，為集成電路產業的蓬勃發展注入了活力。任何行業的發展都離不開人才，尤其對高端人才的需求。目前，我國高端集成電路設計、版圖設計、系統驗證和集成電路工藝、封裝、測試等人才非常匱乏。因此，如何提高集成電路專業人才的數量和質量已成為當前國內高校亟待完成的任務。

1 傳統人才培養模式剖析

2001年我國新增“集成電路設計與集成系統”本科專業，2003年至2009年，我國在清華大學、北京大學、復旦大學等高校分三批設立了20個大學集成電路人才培養基地，加上原有的“微電子科學與工程”專業，目前，國內已有近百所高校開設了微電子相關專業和實訓基地，由此可見，國家對集成電路行業人才培養的高度重視。在新形勢下，集成電路相關專業的“重理論輕實踐”、“重教授輕自學輕互動” 的傳統人才培養模式已不再適用。因此， 探索新的人才培養方式，改革集成電路設計類課程體系顯得尤為重要。

傳統人才培養模式的“重理論、輕實踐”方面，可從課程教學學時安排上略見一斑。例如：某高校“模擬集成電路設計”課程，總學時為80，其中理論為64學時，實驗為16學時，理論與實驗學時比高達4∶1。由于受學時限制，實驗內容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結構，且實驗所涉及的電路結構、器件尺寸和參數只能由授課教師直接給出，學生在有限的實驗學時內僅完成電路的仿真驗證工作。由于缺失了根據所學理論動手設計電路結構，計算器件尺寸，以及通過仿真迭代優化設計等環節，使得眾多應屆畢業生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設計的能力。

“重教授、輕自學、輕互動”的傳統教學方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關注知識的傳授，忽略了發揮學生主動學習的主觀能動性，導致教師教得很累，學生學得無趣。

2 集成電路設計類課程體系改革探索和教學模式的改進

2014年“數字集成電路設計”課程被列入我校卓越課程的建設項目，以此為契機，卓越課程建設小組對集成電路設計類課程進行了探索性的“多維一體”的教學改革，運用多元化的教學組織形式，通過合作學習、小組討論、項目學習、課外實訓等方式，營造開放、協作、自主的學習氛圍和批判性的學習環境。

2.1 新型集成電路設計課程體系探索

由于統一的人才培養方案，造成了學生“學而不精”局面，培養出來的學生很難快速適應企業的需求，往往企業還需追加6～12個月的實訓，學生才能逐漸掌握專業技能，適應工作崗位。因此，本卓越課程建設小組試圖根據差異化的人才培養目標，探索新型集成電路設計類課程體系，重新規劃課程體系，突出課程的差異化設置。

集成電路設計類課程的差異化，即根據不同的人才培養目標，開設不同的專業課程。比如，一些班級側重培養集成電路前端設計的高端人才，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、集成電路系統與芯片設計、模擬集成電路設計、射頻電路基礎、硬件描述語言與FPGA設計、集成電路EDA技術、集成電路工藝原理等；另外的幾個班級，則側重于集成電路后端設計的高端人才培養，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、CMOS模擬集成電路設計、版圖設計技術、集成電路工藝原理、集成電路CAD、集成電路封裝與集成電路測試等。

在多元化的培養模式中，加入實訓環節，為期一年，設置在第七、八學期。學生可自由選擇，或留在學校參與教師團隊的項目進行實訓，或進入企業實習，以此來提高學生的專業技能與綜合素質。

2.2 理論課課堂教學方式的改進

傳統的課堂理論教學方式主要“以教為主”，缺少了“以學為主”的互動環節和自主學習環節。通過增加以學生為主導的學習環節，提高學生學習的興趣和學習效果。改進措施如下：

(1) 適當降低精講學時。精講學時從以往的占課程總學時的75%～80%，降低為30%～40%，課程的重點和難點由主講教師精講，精講環節重在使學生掌握扎實的理論基礎。

(2) 增加課堂互動和自學學時。其學時由原來的占理論學時不到5%增至40%～50%。

(3) 采用多樣化課堂教學手段，包括團隊合作學習、課堂小組討論和自主學習等，激發學生自主學習的興趣。比如，教師結合當前本專業國內外發展趨勢、研究熱點和實踐應用等，將課程內容凝練成幾個專題供學生進行小組討論，每小組人數控制在3～4人，課堂討論時間安排不低于課程總學時的30%[3]。專題內容由學生通過自主學習的方式完成，小組成員在查閱大量的文獻資料后，撰寫報告，在課堂上與師生進行交流。

課堂理論教學方式的改進，充分調動了學生的學習熱情和積極性，使學生從被動接受變為主動學習，既活躍了課堂氣氛，也營造了自主、平等、開放的學習氛圍。

2.3 課程實驗環節的改進

為使學生盡快掌握集成電路設計經驗，提高動手實踐能力，探索一種內容合適、難度適中的集成電路設計實驗教學方法勢在必行。本課程建設小組將從以下幾個方面對課程實驗環節進行改進：

(1) 適當提高教學實驗課時占課程總學時的比例，使理論和實驗學時的比例不高于2∶1。

(2) 增加課外實驗任務。除實驗學時內必須完成的實驗外，教師可增設多個備選實驗供學生選擇。學生可在開放實驗室完成相關實驗內容，為學生提供更多的自主思考和探索空間。

(3) 提升集成電路設計實驗室的軟、硬件環境。本專業通過申請實驗室改造經費，已完成多個相關實驗室的軟、硬件升級換代。目前，實驗室配套完善的EDA輔助電路設計軟件，該系列軟件均為業界認可且使用率較高的軟件。

(4) 統籌安排集成電路設計類課程群的教學實驗環節，力爭使課程群的實驗內容覆蓋設計全流程。由于集成電路設計類課程多、覆蓋面大，且由不同教師進行授課，因此課程實驗分散，難以統一。本課程建設小組為了提高學生的動手能力和就業競爭力，全面規劃、統籌安排課程群內的所有實驗，使學生對集成電路設計的全流程都有所了解。

3 工程案例教學法的應用

為提升學生的工程實踐經驗，我們將工程案例教學法貫穿于整個課程群的理論、實驗和作業環節。下面以模擬集成電路中的典型模塊多級放大器的設計為例，對該教學方法在課程中的應用進行詳細介紹。

3.1 精講環節

運算放大器是模擬系統和混合信號系統中一個完整而又重要的部分，從直流偏置的產生到高速放大或濾波，都離不開不同復雜程度的運算放大器。因此，掌握運算放大器知識是學生畢業后從事模擬集成電路設計的基礎。

雖然多級運算放大器的電路規模不是很大，但是在設計過程中，需根據性能指標，謹慎挑選運放結構，合理設計器件尺寸。運算放大器的性能指標指導著設計的各個環節和幾個比較重要的設計參數，如開環增益、小信號帶寬、最大功率、輸出電壓(流)擺幅、相位裕度、共模抑制比、電源抑制比、轉換速率等。

由于運算放大器的設計指標多，設計過程相對復雜，因此其工作原理、電路結構和器件尺寸的計算方法等，這部分內容需要由主講教師精講，其教學內容可以放在 “模擬集成電路設計”課程的理論學時里。

3.2 作業環節

課后作業不僅僅是課堂教學的鞏固，還應是課程實驗的準備環節。為了彌補缺失的學生自主設計環節，我們將電路結構的設計和器件尺寸、相關參數的手工計算過程放在作業環節中完成。這樣做既不占用寶貴的實驗學時，又提高了學生的分析問題和解決問題的能力。比如兩級運算放大器的設計和仿真實驗，運放的設計指標為：直流增益>80 dB；單位增益帶寬>50 MHz；負載電容為2 pF；相位裕度>60°；共模電平為0.9 V(VDD=1.8 V)；差分輸出擺幅>±0.9 V；差分壓擺率>100 V/μs。在上機實驗之前，主講教師先將該運放的設計指標布置在作業中，學生根據教師指定的設計參數完成兩級運放結構選型及器件尺寸、參數的手工計算工作，仿真驗證和電路優化工作在實驗學時或課外實訓環節中完成。

3.3 實驗環節

在課程實驗中，學生使用EDA軟件平臺將作業中設計好的電路輸入并搭建相關仿真環境，進行仿真驗證工作。學生根據仿真結果不斷優化電路結構和器件尺寸，直至所設計的運算放大器滿足所有預設指標。其教學內容可放在“模擬集成電路設計”或“集成電路EDA技術”課程里[4]。

3.4 版圖設計環節

版圖是電路系統和集成電路工藝之間的橋梁，是集成電路設計不可或缺的重要環節。通過集成電路的版圖設計，可將立體的電路系統變為一個二維的平面圖形，再經過工藝加工還原為基于硅材料的立體結構。

兩級運算放大器屬于模擬集成電路，其版圖設計不僅要滿足工藝廠商提供的設計規則，還應考慮到模擬集成電路版圖設計的準則，如匹配性、抗干擾性以及冗余設計等。其教學內容可放在課程群中“版圖設計技術”的實驗環節完成。

通過理論環節、作業環節以及實驗的迭代仿真和版圖設計環節，使學生掌握模擬集成電路的前端設計到后端設計流程，以及相關EDA軟件的使用，具備了直接參與模擬集成電路設計的能力。

4 結語

集成電路設計類課程的改革，是新的嘗試和探索，其措施包括多元化人才培養模式、理論課課堂教學方式的改進、課程實驗環節的改進，以及工程案例教學法的應用。本課程建設小組希望藉此來提高教學效果和質量，激發學生自主學習的興趣，提升學生的理論知識水平和實踐應用能力，全面提升學生的專業綜合素質。

[1] 賽迪顧問股份有限公司. 2013年中國集成電路市場規模同比增長7.1%[J].中國集成電路，2014(5)：18-19.

[2] 2014中國半導體市場年會主題：增強產業創新，共促持續發展[J].集成電路應用，2014(4)：7.

[3] 熊偉麗，徐穎秦，潘豐.自動控制原理卓越課程的建設與實踐[J].價值工程，2013(29)：213-214.

[4] 毛松. EDA實驗在數字集成電路設計課程中的應用[J].信息系統工程， 2012(9)：9009-9011.

Study on VLSI design curriculum

ZHAOLinna,YUZhiguo,LIANGHailian,YANDawei

(School of Internet of Things Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Based on the existing teaching mechanism, the group for the course construction have done a "multi-dimensional integrated" teaching reform on IC design curriculum. New system and teaching mode are proposed. Engineering case teaching method is applied throughout the theory, experiment and homework of the courses. Based on this, the students can master the front-end and back-end design flow of the integrated circuit.

integrated circuit design; microelectronics; course system; teaching mode

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2015.04.012

2015-05-06

江南大學2014年卓越課程建設項目(1255210232150090)

趙琳娜(1979— )，女，天津市人，講師，碩士，研究方向：大規模集成電路設計。

G 642

A

1671-7880(2015)04-0038-03