新工科背景下集成電路設計人才培養的實踐教學體系建設探索

馬 勝， 沈 立， 王勇軍， 唐玉華， 湯振森， 王志英

（國防科技大學計算機學院，長沙 410073）

0 引 言

世界范圍內的新一輪科技革命和產業變革正在如火如荼進行，各國之間的競爭愈加激烈。尤其是近年來，我國的中興公司、華為公司和飛騰公司等自主集成電路企業屢次受到西方國家的技術封鎖，這充分暴露了我國的集成電路產業正面臨著嚴峻的“卡脖子”問題。人才是集成電路產業發展的第一要素［1-5］。為有效緩解我國集成電路產業面臨的“卡脖子”問題，亟須培養大量科學理論知識扎實、工程實踐能力強、綜合素質高的人才。開展新工科背景下的集成電路專業的建設是一種有效提升集成電路設計人才培養質量的方法［6-8］。新工科專業建設強調工程教育要具備實用性、先進性和綜合性，高度重視人才的工程實踐能力的培養［9-12］。因此，實踐教學體系的設計已成為新工科背景下集成電路設計人才培養的重中之重。

綜合考慮國家和軍隊對集成電路設計人才的需求以及我校優勢學科方向，計算機學院聚焦培養學生的微處理器設計能力，基于“一體貫穿、科教協同、成果導向”的模式設計了集成電路設計人才培養的實踐教學體系。具體而言，所設計的實踐教學體系在多門課程間統籌規劃了一體貫穿的實踐教學內容，并基于一流的科研平臺、一流的科研團隊和一流科研成果采用科教協同的模式開展實踐教學，引入了加強過程考核、突出成果導向的實踐考核方法，這些改革創新措施較好地提升了所培養的人才從事微處理器設計的工程實踐能力。

1 集成電路設計人才培養簡況

我校計算機學院的集成電路人才培養主要依托“集成電路設計與集成系統”和“微電子科學與工程”兩個專業展開。學院長期從事巨型機等自主可控信息系統的研制，在微處理器設計領域處于國內領先的水平，所研制的飛騰系列CPU和DSP等微處理器在多款高性能計算機、自主信息系統和武器裝備中得到大量應用，獲得了多項國家級或省部級的科技獎勵，為國防和經濟社會建設作出了較大貢獻。

當前，實現國民經濟的持續發展和武器裝備的自主可控，迫切需要大量高素質的集成電路設計人才。基于學院長期從事微處理器設計所建立的優勢學科方向，本單位將集成電路設計人才培養的特色聚焦為培養學生從事微處理器設計的能力。具體而言，所培養的人才需要在微處理器體系結構設計、邏輯設計、功能驗證、邏輯綜合、布局布線、版圖驗證等微處理器設計全流程的各個環節上具備較強的工程實踐能力，能夠勝任微處理器研發、設計、測試、應用及管理等工作。

2 集成電路設計人才培養對實踐教學體系的需求

新工科專業建設要求所培養的集成電路設計人才應具有較強的工程實踐能力，對實踐教學體系的設計提出了更高的要求。基于集成電路設計人才培養的特點，實踐教學體系應該具備完備性、順序性、無冗余、貼近真實、先進和考核客觀等特性。其中，完備性和順序性是順利開展集成電路設計人才工程實踐能力培養的基礎，無冗余性著眼提升人才培養的效率，貼近真實性和先進性可以有效提高人才培養的質量，使所培養的人才更好地適應業界的需求，考核客觀性可以提升學生的學習積極性。

2.1 完備性

設計一個非常復雜的工程問題的集成電路，需要綜合運行半導體物理與器件、邏輯門、微處理器結構等不同層次的知識，對人才的綜合能力素質提出了很高的要求［4-7，12-13］，需要具備半導體物理和器件級、邏輯門級、部件級、微處理器級、片上系統（System-on-chip，SoC）級的工程實踐能力［見圖1（a）］。教學體系需要有效覆蓋上述各個層次的實踐能力的培養，缺乏某個環節將會導致所培養的人才出現能力短板，影響其綜合素質。同時，數字集成電路設計從前端到后端依次涉及到體系結構設計、邏輯設計、功能驗證、邏輯綜合、布局規劃、時鐘樹綜合、布線、版圖驗證、流片生產、測試封裝等諸多步驟［見圖1（b）］，實踐教學體系需要包括上述各個步驟的實踐能力的培養，以保證所培養的人才能夠勝任微處理器的設計、研發、測試等工作。

圖1 數字集成電路設計人才所需具備的工程實踐能力和數字集成電路的設計步驟

2.2 順序性

不同層次的實踐能力之間具備一定的相關性，學生必須先具備一些前導性的實踐能力，才能有效開展后續環節的實踐能力的鍛煉。比如，學生必須先具備較強的邏輯門級的實踐能力，能熟練設計各種不同的邏輯門，才能有效地開展后續的部件級和微處理器級的實踐能力的鍛煉。又如，微處理器作為片上系統（SoC）中的一個單元，學生必須具備較強的微處理器級實踐能力，才能有效開展SoC級實踐能力的鍛煉。不同層次的實踐能力之間的相關性要求實踐教學環節的設計必須具備一定的順序性，依次開展具有相關性的不同層次的實踐能力的培養和鍛煉。

2.3 無冗余性

集成電路設計人才需要在多個層次上具備較高的工程實踐能力，這些能力素質的培養被拆分到多門課程中完成。為提高學生的學習效率，不同課程所覆蓋的能力素質點應該不能出現重疊。當不同的課程由不同的老師獨立負責建設時，容易出現多門課程覆蓋同一個能力素質點的現象。比如，由于硬件描述語言（如Verilog HDL）是部件級和微處理器級實踐鍛煉的基礎，部分培養方案在多門課程中都包括硬件描述語言基本語法的實踐鍛煉，導致學生反復對相同的能力素質點進行鍛煉，增加了學習負擔，影響了學習效率。因此，實踐教學體系需要統籌規劃多門課程的實踐教學內容，消除它們對能力素質點覆蓋的冗余性。

2.4 貼近真實性

與傳統工科教育相比，新工科專業建設更強調實踐教學環節與真實科研工程環境的貼近性［7-11］。具體包括：①新工科實踐教學環節的所使用的實驗環境應該與真實科研工程中的工作環境基本相同，這有助于學生畢業后更快地適應工作崗位。②新工科實踐教學環節的項目內容應該盡量來自于真實科研工程項目，這樣能夠更好地鍛煉學生解決實際問題的能力。③新工科實踐教學環節的指導老師應具備較豐富真實科研工程的經驗，以便更好地指導學生，提升學生的工程實踐能力。

2.5 先進性

集成電路產業作為一個新興產業，其相關技術的更新發展非常快，許多新的設計技術不斷出現。新工科建設強調“問技術發展改內容，更新工程人才知識體系”的理念［8］，因此，實踐教學環節設計必須緊貼業界發展的前沿，注重在實踐教學內容、實踐教學環境等方面體現較好的先進性，積極將業界的最新進展和成果引入實踐教學環節中，注重解決復雜工程問題能力的培養。比如，隨著人工智能時代的到來，設計人工智能加速器芯片已成為業界必須。為使所培養的人才更好地適應業界的需求，實踐教學環節中應該加強人工智能加速器設計能力的培養。

2.6 考核客觀性

考核環節對于調動學生的學習積極性至關重要。考核環節必須要真實客觀地反映學生的工程實踐能力的水平。簡單地評閱學生所提交的實驗報告難以達到上述目的，必須加強實踐教學環節的過程性成果考核和終結性成果考核，建立起成果導向的考核體系。比如，將一個較大的項目拆分為多個過程性節點，在每個節點上對學生所完成的成果進行考核。這一方面能督促學生按節點完成任務，另一方面也能夠在一定程度上防止抄襲等現象。此外，可以將一些課外創新實踐活動取得的成果納入工程實踐能力的考核指標中，這也有利于培養學生的創新實踐能力。

3 實踐教學環節的設計

基于的新工科集成電路設計人才培養對實踐教學環節的需求，我校計算機學院設計了如圖2所示的“一體貫穿、科教協同、成果導向”的實踐教學模式，較好地提升了人才實踐能力培養的效果。

圖2 實踐教學環節的模式設計

3.1 一體貫穿的實踐教學內容

學院的集成電路設計人才培養的特色定位為聚焦培養學生從事微處理器設計的能力，尤其是數字集成電路設計的能力。為保證實踐教學環節的完備性、順序性和無冗余性，課程體系在多門課程間統籌規劃了一體化貫穿式的實踐教學內容。以數字集成電路設計能力培養為例，學生需要在多個不同層次上具備較高的工程實踐能力，這些實踐能力被劃分到多門課程中（見表1），這些課程的教學內容組成一個有機整體，形成了聚焦數字集成電路設計能力培養的一體化貫穿式的實踐教學內容。多門課程的實踐教學內容組合在一起有效覆蓋了多個不同層次的實踐能力培養需求，保證了實踐教學環節的完備性。課程體系按照自下向上的依賴關系設置各門課程的開課時間，保證了實踐教學環節的順序性。通過統一規劃多門課程的教學內容，使不同課程的實踐教學內容沒有重疊，保證了實踐教學環節的無冗余性。

表1 數字集成電路設計實踐能力的培養及其在各課程中的分布

設置一體化貫穿式的實踐教學內容的一個較大的好處是可以將前導課程的實踐教學活動得到的成果用于后續課程的實踐教學活動中，這有利于減輕學生的負擔，提高教學效率。比如，在數字集成電路設計人才培養過程中，部件級實踐教學活動中得到的FIFO（First input first output）、加法器等部件可以直接用于后續微處理器級實踐教學活動中。這有利于學生在微處理器級實踐教學活動中集中精力進行指令集和微處理器結構的設計和實現，而不需關注基本邏輯部件的設計和實現，能較好地提升學習效率。類似地，微處理器級實踐教學活動得到的成果也可以直接用于后續的片上系統級（SoC）的實踐教學活動中。

3.2 科教協同的實踐教學模式

為保證實踐教學環節的貼近真實性和先進性，采用科教協同的模式基于一流的科研平臺、一流的科研成果和一流的科研團隊開展實踐教學活動。

（1）集成電路設計實踐教學環節對實驗環境的要求很高，需要高性能服務器集群、專用電子設計自動化（EDA）軟件、大容量現場可編程邏輯門陣列（FPGA）開發板、高性能測試臺等大量昂貴的專用設備［9，10，16］。這對教學支撐環境的建設提出了很大的挑戰。學院長期從事自主可控微處理器設計大工程任務所建成的一流的科研平臺可較好地滿足集成電路設計人才的實踐教學活動。實踐教學所使用的服務器集群、EDA軟件、芯片測試臺等設備直接來自學院的科研平臺，有效保證了實踐教學環節所使用的實驗環境與真實科研工程的工作環境基本相同。圖3所示為來自學院用于芯片測試實踐教學的測試臺。

圖3 用于芯片測試實踐教學的測試臺

（2）基于我校在自主可控微處理器設計領域取得的一流科研成果設計了實踐教學內容。比如，現有的部件級實踐教學環節大都只包含一些簡單的演示性和驗證性的實驗，而忽略了一些對微處理器設計至關重要的較為復雜的部件，比如FIFO、浮點加法器、浮點乘法器等。我校設計的微處理器，是較為復雜的部件對工程項目的進度和質量影響很大。因此，在設計實踐教學環節時將這些較為復雜的部件引入到教學活動中。又如，我校的人工智能加速器已成為業界必須，所設計的實踐教學體系也將人工智能加速器的設計作為一項重要的實踐教學內容。

（3）集成電路設計實踐教學需要使用大量的專用EDA軟件和設備，對實踐教學隊伍的能力提出了很高的要求，學院基于一流科研團隊組建了教師團隊。部分指導教師直接來自學院科研工程一線，多人曾獲得過國家、軍隊或省部級的科技獎勵，在微處理器設計領域經驗豐富，熟練掌握多種專用EDA軟件和設備的使用方法。此外，還設置了實戰式實習實訓環節，將學生安排在學院微處理器研究所進行實習實訓，在研究所老師的直接指導下，使用研究所的科研工程平臺，開展創新實踐活動。

3.3 成果導向的實踐考核方法

為保證實踐教學環節考核客觀性，實踐教學體系設置了成果導向實踐考核方法，主要體現在3方面。

（1）在評閱實驗報告的基礎上，提高成果現場驗收環節的難度。比如，對于代碼編寫類的實踐項目，授課老師和教輔通過現場修改學生的代碼使功能出錯，之后讓學生將代碼的功能恢復，或者現場考核學生一段代碼的功能和含義。這不僅增加了驗收環節的難度，也可以在一定程度確保學生所提交的代碼是自己動手完成的。此外，根據美國學者戴爾所提出的如圖4所示的學習金字塔理論，“教授給他人”是一種能夠使學習內容留存率最高的方式。因此，在部分實驗的成果驗收過程中增加了答辯環節，要求學生將自己所完成的設計、設計過程中遇到的挑戰及解決方法以答辯的形式教授給授課老師和其他同學學習。

圖4 基于學習金字塔理論圖的學習內容留存率

（2）對于較大的項目，增加過程性成果考核的權重和比值。比如，微處理器級實踐教學環節需要學生實現一個包含cache、存儲控制器和總線等部件的支多級流水線微處理器。完成這個項目大概需要2～3個月時間。為有效督促學生開展實驗并切實把握進度，教學體系設置多個過程性考核節點，在每個節點上對學生的進展情況和取得的成果進行考核。

（3）將學生參加課外創新實踐活動取得的成果納入實踐考核環節。比如，集成電路創新創業大賽在國內具有較大的影響力，大賽的題目也能較好地考查學生在集成電路設計方面的創新實踐能力。因此，實踐教學體系允許直接將大賽成績認定為實踐學分。這也能鼓勵學生積極參加這些課外創新實踐活動，提升綜合素質。

4 結 語

實踐教學體系設計是新工科集成電路設計人才培養的關鍵。為滿足集成電路設計人才的能力素質培養的需求，基于“一體貫穿、科教協同、成果導向”的模式，并基于一流的科研平臺、一流的科研團隊和一流的科研成果設計了實踐教學體系，該實踐教學體系具備的完備性、順序性、無冗余性、貼近真實性、先進性和考核客觀性等一些特性，能較好地夯實學生從事微處理器設計的工程實踐能力。