電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

李祺 師建英 閆小兵

摘 要 集成電路系列實(shí)驗(yàn)是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路方向的核心實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)與其他高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程的對(duì)比，提出普通高校在課程設(shè)置、內(nèi)容深度及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上存在的問(wèn)題。從硬件配置、軟件購(gòu)買、教學(xué)方法、課外學(xué)習(xí)平臺(tái)及參加集成電路設(shè)計(jì)大賽等方面闡述進(jìn)行教學(xué)改革的方法。

關(guān)鍵詞 集成電路實(shí)驗(yàn);電子科學(xué)與技術(shù);教學(xué)改革;EDA

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）08-0119-03

Reformation of Integrated Circuit Experiments of Electronic Science and Technology Specialty//LI Qi， SHI Jianying， YAN Xiaobing

Abstract Series experiments of integrated circuit are the core experi-

mental courses of Electronic Science and technology specialty. Com-

pared with the similar courses of the other universities， the problems such as the curriculum setting， content depth and experimental pro-jects are proposed. The following aspects as hardware configuration， software purchase， teaching method， extracurricular learning plat-form and taking part in the integrated circuit design contest can be used to carry out teaching reform.

Key words integrated circuit experiment; electronic science and technology; teaching reform; EDA

1 引言

集成電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路設(shè)計(jì)方向人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。集成電路在日常生活中到處可見(jiàn)，自從1959年德州儀器公司的杰克·基爾比提出世界上第一塊集成電路原型之后，集成電路芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于教學(xué)、民用、商用、工業(yè)及軍事等領(lǐng)域，成為推動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐力量。

我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚，產(chǎn)業(yè)鏈、設(shè)計(jì)軟件和關(guān)鍵技術(shù)也相對(duì)落后。從2000年起，我國(guó)開(kāi)始陸續(xù)發(fā)布各項(xiàng)有利于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)惠政策。2011年2月，國(guó)務(wù)院印發(fā)4號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》，提出集成電業(yè)產(chǎn)業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，要繼續(xù)完善措施，明確政策導(dǎo)向，增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平。2014年6月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，明確提出重點(diǎn)支持集成電路制造領(lǐng)域。

為了適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及企業(yè)對(duì)集成電路設(shè)計(jì)人才的需求，教育部2003年下發(fā)的2號(hào)文件《教育部、科技部關(guān)于批準(zhǔn)有關(guān)高校建設(shè)國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地的通知》提出，要為企業(yè)培養(yǎng)高水平實(shí)用化的集成電路設(shè)計(jì)人才。

現(xiàn)階段，大學(xué)生就業(yè)已經(jīng)成為一個(gè)全民關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題[1]。高等學(xué)校在集成電路設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)等方面的人才培養(yǎng)過(guò)程中，不僅要重視理論知識(shí)的講授，更要注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的提升。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校創(chuàng)新教育和校企合作育人機(jī)制在人才培養(yǎng)過(guò)程中不可或缺的組成部分[2]。如何讓本科生在學(xué)校學(xué)習(xí)到足夠的知識(shí)，且能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái)，擁有足夠的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)總結(jié)，是集成電路人才培養(yǎng)過(guò)程中提高畢業(yè)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力必須要解決的重要問(wèn)題。

2 鼓勵(lì)教師外出調(diào)研 加快教學(xué)改革進(jìn)程

集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使企業(yè)對(duì)畢業(yè)生的理論知識(shí)、動(dòng)手能力和實(shí)踐能力都提出更高的要求。這迫使高校在人才培養(yǎng)方面要與時(shí)俱進(jìn)，為迎合市場(chǎng)需求而不斷改進(jìn)教學(xué)方案和人才培養(yǎng)計(jì)劃，不能閉門造車。高校要鼓勵(lì)教師走出去，到企業(yè)去提高自身的實(shí)踐水平，去調(diào)研公司需要人才掌握的專業(yè)技能和知識(shí)分類量化[3]，將企業(yè)的需求與所開(kāi)設(shè)的課程進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容，刪減過(guò)時(shí)或與實(shí)際需求結(jié)合不緊密的課程學(xué)時(shí)，有針對(duì)性地增加設(shè)計(jì)型和應(yīng)用型課程，使畢業(yè)生經(jīng)過(guò)較短的培訓(xùn)就能勝任公司的工作，提高就業(yè)率;要鼓勵(lì)教師到國(guó)內(nèi)外高校特別是名校去調(diào)研或進(jìn)修，了解它們相同專業(yè)的課程設(shè)置和具體的授課內(nèi)容。通過(guò)進(jìn)修學(xué)習(xí)，教師不僅可以提高講課水平，找到自身存在的不足，更能開(kāi)闊眼界，與所在高校相關(guān)課程的教學(xué)過(guò)程相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，對(duì)教學(xué)過(guò)程和課堂教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行重新思考，對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等項(xiàng)目的改革提出自己的見(jiàn)解。

3 集成電路系列實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題

這里以河北大學(xué)為例，闡述普通高校集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可能存在的問(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)在北京工業(yè)大學(xué)兩個(gè)月的交流探討和在北京理工大學(xué)半年的進(jìn)修學(xué)習(xí)，通過(guò)與相關(guān)教師的交流探討，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，普通高校對(duì)學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)核心能力的培養(yǎng)不明確，對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)定位比較模糊[4]。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，多數(shù)高校開(kāi)設(shè)的集成電路方向的專業(yè)課程都包括數(shù)字集成電路原理與設(shè)計(jì)、數(shù)字集成電路課程設(shè)計(jì)、數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)、模擬集成電路原理與設(shè)計(jì)、模擬集成電路實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)、集成電路版圖設(shè)計(jì)及版圖實(shí)驗(yàn)等。普通高校所開(kāi)設(shè)的理論課程內(nèi)容廣度和深度都有所欠缺，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)單，形式單一。理論知識(shí)是實(shí)驗(yàn)操作的前提，如果理論知識(shí)匱乏，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是空談。下面以河北大學(xué)為例來(lái)加以說(shuō)明。

河北大學(xué)開(kāi)設(shè)的數(shù)字集成電路原理與設(shè)計(jì)的理論課時(shí)為68學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為18學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)課時(shí)為期一周。理論課程的內(nèi)容稍顯陳舊，對(duì)雙極型器件及工藝介紹偏多，對(duì)CMOS器件及工藝介紹相對(duì)偏少，對(duì)可測(cè)性設(shè)計(jì)部分草草帶過(guò)，對(duì)流水線部分未加介紹。實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少，使用的EDA工具落后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏向于基本數(shù)字電路單元的性能分析，未將有關(guān)數(shù)字前端設(shè)計(jì)部分的Verilog/VHDL語(yǔ)言的代碼編寫、仿真及綜合等內(nèi)容加入進(jìn)來(lái)。這讓學(xué)生對(duì)數(shù)字前端設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)僅限于書本上的介紹，沒(méi)有親身體會(huì)其設(shè)計(jì)流程，學(xué)習(xí)效果差。

模擬集成電路原理與設(shè)計(jì)的理論課時(shí)為34學(xué)時(shí)，課程設(shè)計(jì)課時(shí)為期一周。由于理論課程學(xué)時(shí)太短，對(duì)典型的模擬電路模塊如運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電壓源、ADC及DAC電路等部分的講解深度不夠。由于沒(méi)有配套的實(shí)驗(yàn)課程，導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)理清模擬集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，不清楚應(yīng)該從哪些問(wèn)題開(kāi)始入手，如何將手工計(jì)算結(jié)果與軟件仿真結(jié)果相對(duì)比，以及如何優(yōu)化電路的仿真結(jié)果以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求等，無(wú)法將理論內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實(shí)踐知識(shí)。

集成電路版圖設(shè)計(jì)的理論課時(shí)為26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為18學(xué)時(shí)。由于任課教師沒(méi)有真正參與過(guò)具體的工程項(xiàng)目，而該門課程的性質(zhì)又與實(shí)際聯(lián)系得特別緊密，造成教師在授課過(guò)程中對(duì)相關(guān)知識(shí)理解得不深入、不透徹，講解得不到位、不全面。這需要學(xué)校為教師提供進(jìn)一步提升理論水平和實(shí)踐水平的機(jī)會(huì)，才能更好地教授學(xué)生。其實(shí)驗(yàn)課程同樣由于所使用的EDA工具不是行業(yè)內(nèi)最流行的軟件，無(wú)法讓學(xué)生更加清楚地理解元件版圖的含義[5]，無(wú)法讓學(xué)生掌握修改版圖設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)規(guī)則錯(cuò)誤以及LVS（電路圖與版圖的一致性檢查）錯(cuò)誤的方法，開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于表面，不夠深入。

4 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

鑒于以上集成電路方向一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)加以改進(jìn)，以加強(qiáng)教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

硬件、軟件要跟上 河北大學(xué)“光伏技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”于2016年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，集成電路系列實(shí)驗(yàn)是光伏技術(shù)虛擬仿真教學(xué)中心的重要組成部分。以此為契機(jī)，學(xué)校已購(gòu)買用于安裝主流集成電路設(shè)計(jì)EDA工具的服務(wù)器及工作站，Linux操作系統(tǒng)也已安裝完成，加上實(shí)驗(yàn)室原來(lái)的設(shè)備，從硬件上已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革做好準(zhǔn)備。

軟件方面需要在服務(wù)器上安裝集成電路設(shè)計(jì)EDA工具及工藝PDK文件。很多EDA軟件公司有專門針對(duì)高校的大學(xué)計(jì)劃，高校購(gòu)買相關(guān)軟件的價(jià)格也相對(duì)要便宜很多[6]。目前，業(yè)內(nèi)主流的集成電路設(shè)計(jì)軟件為Cadence系列軟件。Cadence IC Design是一個(gè)完整的全定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括Schematic Composer（電路圖設(shè)計(jì)）、Spectre（仿真）、Virtuoso（版圖編輯工具）及Assura、Dracula、Diva（三個(gè)都是物理驗(yàn)證工具）等。軟件的購(gòu)買及安裝工作已經(jīng)與相關(guān)廠商進(jìn)行商談，學(xué)校也已提供相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)支持。工藝PDK文件需要跟foundry聯(lián)系，如SMIC（中芯國(guó)際）、TSMC（臺(tái)積電）、華潤(rùn)上華等，也可聯(lián)系MPW（多項(xiàng)目晶圓）中間商來(lái)拿到PDK文件。

改進(jìn)教學(xué)方法 為了提高面向集成電路設(shè)計(jì)學(xué)生的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，就必須對(duì)集成電路方向的教學(xué)體系設(shè)置進(jìn)行改革，延長(zhǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作時(shí)間，讓學(xué)生親身體會(huì)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程[7]。在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)背景下，為了提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密、通過(guò)動(dòng)手操作更易于理解的教學(xué)內(nèi)容放在實(shí)驗(yàn)室來(lái)講解。教師可以把驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)題目融進(jìn)課堂，在講解到與實(shí)驗(yàn)題目相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，先將該知識(shí)點(diǎn)詳細(xì)講解一遍，說(shuō)明其中需要注意的細(xì)節(jié)，然后讓學(xué)生在課堂上完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試自己解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困難和問(wèn)題，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的成就感。在真正的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)逐漸減少甚至取消驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)題目，增大綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重，在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)到更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

河北大學(xué)目前已經(jīng)將集成電路版圖設(shè)計(jì)的理論教學(xué)放進(jìn)實(shí)驗(yàn)室授課。這種靈活的教學(xué)方式不但可以促進(jìn)知識(shí)的同步消化，而且加快了將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的步伐。教師也可以將工程案例或自己的科研項(xiàng)目貫穿于課程的理論、實(shí)驗(yàn)和作業(yè)中，通過(guò)具體的案例教學(xué)使學(xué)生掌握集成電路的前端和后端設(shè)計(jì)流程[8]。

加強(qiáng)課堂外學(xué)習(xí)資源建設(shè) 基于河北大學(xué)“光伏技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”平臺(tái)，繼續(xù)探索開(kāi)發(fā)形式多樣的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。將Cadence工具的基本操作方法、CMOS集成電路典型的前端/后端設(shè)計(jì)流程、所需的知識(shí)儲(chǔ)備、反向設(shè)計(jì)的版圖影像、版圖的層次以及容易出錯(cuò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過(guò)程等，以圖片、PPT、動(dòng)畫、視頻及MOOC的形式展現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，以有效減少教師的重復(fù)講解，提高課堂效率，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)獲得更直觀、更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)積極參賽提高學(xué)生實(shí)踐能力 當(dāng)集成電路設(shè)計(jì)硬件、軟件都已落實(shí)，且相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)基本成熟之后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生參加校內(nèi)外的集成電路設(shè)計(jì)大賽。在外出參賽之前，可以先組織學(xué)生參加校級(jí)的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，通過(guò)查閱資料、小組討論、網(wǎng)絡(luò)詢問(wèn)及向資深教師或企業(yè)工程師請(qǐng)教等途徑，發(fā)現(xiàn)并解決所遇到的問(wèn)題，積累比賽經(jīng)驗(yàn)。

由北京市教委和北京電子學(xué)會(huì)主辦的全國(guó)大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽至2018年已成功舉辦八屆，已成為國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域最有影響力的賽事之一。大賽的主要目的在于發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)優(yōu)秀的集成電路設(shè)計(jì)人才，促進(jìn)高校與企業(yè)的深入合作和交流，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。從未參加過(guò)此類比賽的普通高校要勇于嘗試，克服恐懼心理，在參賽過(guò)程中積極向其他團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)，了解其設(shè)計(jì)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，找到自身不足，總結(jié)出提升自身能力的辦法。通過(guò)參賽，學(xué)生經(jīng)歷從電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)到驗(yàn)證甚至流片測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高綜合訓(xùn)練能力[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

集成電路方向開(kāi)設(shè)的系列實(shí)驗(yàn)是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)和提高學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力的重要實(shí)驗(yàn)課程。通過(guò)與國(guó)內(nèi)其他高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路方向?qū)嶒?yàn)課程的對(duì)比，提出普通高校可能存在的問(wèn)題以及解決問(wèn)題的方法。對(duì)集成電路系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，可以讓學(xué)生接觸到集成電路行業(yè)內(nèi)流行的EDA設(shè)計(jì)軟件，清晰了解集成電路前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)的流程，掌握從電流設(shè)計(jì)到版圖設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)及需要注意的問(wèn)題，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，為更好地就業(yè)做好充分的準(zhǔn)備。教學(xué)改革應(yīng)該是與時(shí)俱進(jìn)的，學(xué)校應(yīng)鼓勵(lì)更多的教師到企業(yè)和高校去參觀、交流、訪問(wèn)和學(xué)習(xí)，以便更好更全面地進(jìn)行教學(xué)改革，進(jìn)一步明確和突出人才培養(yǎng)的目標(biāo)，為培養(yǎng)就業(yè)型和科研型畢業(yè)生而努力。

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基金項(xiàng)目：河北大學(xué)研究生示范課程建設(shè)項(xiàng)目“電子科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科專業(yè)英語(yǔ)示范課程建設(shè)”（201701）;河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“Li2FeSiO4正電極材料的水熱生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與電化學(xué)特性調(diào)控研究”（F2017201130）;國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目“光熱耦合電源器件建模及基礎(chǔ)問(wèn)題研究”（61204079）;河北省研究生示范課程建設(shè)項(xiàng)目“電子科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科專業(yè)英語(yǔ)示范課程建設(shè)”（KCJSX2018003）。

作者：李祺，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院;師建英，通訊作者，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)及集成電路設(shè)計(jì);閆小兵，通訊作者，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)樽枳儾牧虾妥枳兇鎯?chǔ)器的研究（071002）。