關于“數字集成電路驗證技術”課程教學過程探究

楊 燕，馬文英

（成都信息工程大學 通信工程學院〔微電子學院〕，四川 成都 610000）

隨著電子信息技術的飛速發展，集成電路支撐著現代通信、計算機、物聯網、智能系統等高技術產業，是我國必須掌握的核心技術，同時也是我國電子信息產業的薄弱環節。而集成電路領域人才屬于國家緊缺人才，培養集成電路相關人才的需求日益凸顯。整合我校微電子相關專業學院的學科專業人才優勢，通信工程學院（微電子學院）積極響應國家需求，新建設了集成電路設計與集成系統專業。隨著片上系統（SOC）芯片的廣泛需求和芯片設計規模的急劇增大，其數字集成電路驗證這一關鍵技術成為熱門且短缺的技術。因此，我院針對集成電路發展的迫切需求，為集成電路設計與集成系統專業新增了“數字集成電路驗證技術”課程，其作為專業必修核心課程之一的目的是為培養本專業數字集成電路方面專業化人才量身打造。目前，全國高校都在大力發展集成電路一級學科，課程設置成為高校招生和培養相關人才的重要一環，特別是在當前數字集成電路驗證人才的廣泛和急迫需求的背景下，“數字集成電路驗證技術”的授課可以反映出高校集成電路相關專業的專業程度和專業傾向。同時，隨著我國集成電路的不斷發展，其人才隊伍的專業化劃分更加清晰，對專業化的數字集成電路驗證人才需求量日益劇增。而全國高校針對數字集成電路驗證技術的相關課程還非常缺乏，顯然，這與就業需求背道而馳。因此，開設“數字集成電路驗證技術”課程不僅積極響應了國家對集成電路人才的迫切需求，而且為學生的就業指明了更專業化的方向。該課程也幫助了學生就業方向的選擇，也在一定程度上提高了社會競爭力。由此可見，開設“數字集成電路驗證技術”課程勢在必行。本文探究了“數字集成電路驗證技術”專業必修課程在授課過程中的教學內容、方法，并就教學過程中遇到的各種教學問題進行了積極思考和詳細討論，希望能為數字集成電路類專業的授課提供一定的科學參考與幫助。

一、課程教學的探究

“數字集成電路驗證技術”的授課對象是本科學生，因此，需要結合本科生自身的專業知識基礎，這是本門課程教學的前提。而該課程的授課基礎課程包括：數字電路、數字集成電路設計、C語言、Verilog編程技術，我院在開設本門課程之前已經完成所述基礎專業課程的學習，因此對本課程的學習有較好的基礎鋪墊作用。基于此，本門課程的開設旨在驗證集成電路設計模塊，從驗證的思想實現芯片在流片之前缺陷的規避。其教學內容主要從數字集成電路驗證概念、驗證流程、驗證平臺、驗證策略、驗證語言和方法學幾個方面對該課程進行講解與剖析。首先，對SOC芯片設計的整體流程進行講解，著重介紹數字集成電路驗證在整個SOC芯片流程的作用，意義及擔當的任務，讓學生建立良好的數字集成電路驗證的概念。進一步地，通過對SOC芯片誕生的整個流程的介紹，引入數字集成電路驗證技術在整個流程中的位置和承擔的角色。并詳細拆分數字集成電路驗證的流程及過程，讓學生明白如何對集成電路的設計模塊進行驗證，如何搭建芯片驗證平臺，以及如何有效地構建可移植的驗證平臺。同時，讓學生了解和理解驗證的思想和策略，學會將部分有效策略成功地移植到自己所設計的芯片模塊或者系統中。其次，進一步剖析數字集成電路驗證技術的核心手段和實現方法，即學習SystemVerilog編程語言來完成驗證平臺中的各個組件的實現，在構建好驗證平臺組件后，采用SystemVerilog編程語言完成模塊的各個功能點驗證，滿足良好的功能覆蓋率和代碼覆蓋率。

針對數字集成電路驗證概念、驗證流程、驗證平臺、驗證策略幾個方面的教學，主要通過引入實際芯片研發工程項目案例進行分析講解驗證概念、驗證流程和驗證平臺。驗證策略的教學主要總結驗證技術中的策略分析，并以SOC芯片設計中所關聯的驗證模塊作為實際例子，深度剖析在實際工程項目中所遇到的問題，以及驗證工程師所采用的驗證策略來規避問題，確保芯片在流片后的可靠性。讓學生切實體會到驗證策略的正確實施的重要性和有效性，并深入理解哪些有效的驗證策略，這也是豐富學生工程經驗的有效舉措。這種引入實際項目案例的方式更能清晰地呈現數字集成電路驗證的重要技術，使得抽象的技術具體化，讓學生更容易理解和吸收。

針對“數字集成電路驗證技術”課程的核心內容即掌握驗證方法的SystemVerilog編程語言。采用SystemVerilog編程實現驗證平臺中各個組件，以及功能點的具體實現。故學好SystemVerilog編程語言是數字集成電路驗證的重要環節。在對SystemVerilog編程技術的教學過程中，探索新型教學模式，擺脫傳統枯燥語言學習的教學模式。通過引入工程項目案例中所用到的語法知識與書本知識相結合的模式，對SystemVerilog進行講解。并在課堂上增設編程練習加強學生對語法知識的理解和熟悉。學習SystemVerilog編程語言除了讓學生掌握這門編程語言的語法知識，更重要的是讓學生理解和掌握SystemVerilog語言背后驗證的思想和方法。具體在教學過程中的體現就是首先講解SystemVerilog語言的語法結構和知識體系，涉及的SystemVerilog編程語言知識體系如圖1所示。緊接著針對其重點和難點列舉出該語法知識的具體例子，例子的引入均源于實際工程項目中的案例。使得學生更加深刻地明白語言的語法知識是如何嵌入至實際工程應用的。

圖1 SystemVerilog編程語言知識體系

二、課堂教學中存在的主要問題

（一）教學過程中直接套用工程項目實例，學生認為難度較大

“數字集成電路驗證技術”這門本科生的專業必修課程，采用了理論+工程項目案例混合的教學模式。但是由于本科生專業知識有限，且幾乎沒有工程項目實戰經歷，加之專業知識體系較難。導致學生無法全部理解語法知識和對應項目實踐的案例代碼，因此學習動力和信心有所下降，且該課程對應的實驗課程進展起來難度大。其實驗步驟、實驗結果和實驗報告部分學生無法完成。另外，學生也不愿意遇到問題立馬與教師溝通交流，造成的結果就是學生很難理解所有課程內容，也更難深入掌握工程項目實際案例中的專業知識。

（二）理論課程和實驗課程的設置不完善

該課程的設置包括32學時的理論課和16學時的實驗課，授課內容基于相匹配的理論課程內容。由于理論課程內容在比較多，且專業知識難度較大，學生掌握有限，對實驗課程內容造成了一定影響，實驗課堂完成相關的設計較為困難。同時，實驗課程的課時量較少，導致學生實驗內容掌握不好。一方面，實驗課程的內容設置較難。一方面，該課程的實驗內容需要構建基本的驗證平臺。這些驗證平臺包括：激勵發生器、比較器、監視器及其他組件，這些組件全部是基于SystemVerilog語言來實現，工作量和實現難度系數都比較大。另一方面，對于學習這門課程的學生而言，還需要具備數字集成電路設計知識作為基礎，對所要驗證的設計模塊有所了解。因此所設計的實驗內容對于本科生來說存在一定的難度。加之，學生接觸工程項目的機會較少，自身動手能力較弱也是對實驗課程內容的設置造成一定影響。

（三）教學內容較多，部分學生掌握程度有限

本課程在教學過程中需要涵蓋的內容較多，包括數字集成電路驗證技術整體概念、驗證流程、驗證平臺和驗證策略的講解，以及對SystemVerilog編程語言、語法及對應的工程案例的講解。實驗內容更是綜合了理論課程內容，包括驗證平臺的搭建、驗證策略、對設計模塊功能點的驗證。因此，該課程的較多的學習內容和較難的學習內容導致學生掌握的程度有限。課時量的不足也是導致部分學生理解不深入的原因之一。另外，本科學生專業基礎知識有限，實際動手操作能力不夠，無法深入地掌握教學內容。加之，本科生自身學習的積極性不是很高，對專業知識的探索欲較弱，使得教學難度進一步提升。綜上分析，這些都對學生的學習效果和學習程度有一定的影響。

三、課程教學的改進措施

（一）增強學生工程項目實踐能力

“數字集成電路驗證技術”作為集成電路類專業必修課程，其重要程度顯而易見。鑒于該課程的專業性很強，且本身難度較大，相關的學習資料、學習資源又較少，因此學生的工程實踐能力較差。這就導致學生內心認為課程難度很大。針對該現狀，在“數字集成電路驗證技術”授課前提前布置基礎知識點的預習，以確保授課過程中大家對新知識更容易接受和理解。同時，教師在授課過程中可以增加工程項目中的案例或工程項目中應用的某段代碼進行講解，結合所預習的基礎知識，將這些簡單的語法知識嵌入至工程項目，使學生的專業理論知識更加深入地得到鞏固，因而相比單一地學習枯燥乏味的語法知識更加豐富和積極。針對課堂上采用講解工程案例較難的問題，教師可以對案例的前因后果做介紹，并將案例中的代碼分析以錄視頻的形式，發送給學生。解決學生在有限的課堂時間里無法對案例內容掌握徹底的問題。另外，增設課程線下工程案例練習，以小團隊為單位在課下將課堂上舉例的工程案例進行線下演練。團隊之間在練習的過程中既加深了知識理解和提升了動手能力，又增強了團隊協助能力和提高自身學習積極性。同時，該課程配備的輔助教師要有提高、促進授課教師與學生之間的交流意識，做好溝通橋梁作用。輔助教師多關心學生的學習程度和學習進度，收集學生對難點知識的意見，并與授課教師一起解惑學生學習過程中的不惑。授課教師和輔助教師在課堂上盡量語速放緩，將工程案例與書本基礎知識結合起來以提高學生課堂上的吸收效率。為了更進一步提升項目工程實踐能力，增加線下答疑互動的方式。通過建立微信群，學生可以在線下動手練習，遇到問題隨時在群里詢問，教師和助教在線上及時給予問題解答。利用好網絡資源，將教學—實踐在線上綜合為一體化，能夠有效提升學生的動手能力和學習積極性。

（二）完善理論課程和實驗課程之間的聯系

“數字集成電路驗證技術”是一門具備專業性很強的課程，其實驗內容也是該課程的一個重要環節。但是，由于課時量很受限，導致很多理論課程內容難以和實驗課程內容很好地融合。課程實驗內容的工程性質較強，對于本身缺乏工程經驗的本科生來說存在較大的挑戰。因此，為了進一步完善理論課程和實驗課程之間的聯系，需要適當增加實驗課程的課時，使得實驗的內容能夠較全面的覆蓋理論課程，讓理論知識和實驗內容得以有效結合。另外，在實驗課程設置方面，采取由易到難的課程設置模式，并循序漸進地嵌入理論課程的基礎知識至實際項目中的工程案例中，這些工程案例即截取實驗內容中的部分。這樣，在實驗過程中，學生對用到的理論知識就沒有那么陌生和抽象了。同時，在理論課程的授課過程中增加部分實驗內容進行深度剖析，并以小作業的形式鼓勵學生課后進行上機練習，鞏固知識。在實驗課程設置方面，結合理論知識點，將工程項目案例進行分解成若干個小實驗，并在實驗課堂上強調小實驗中用到的理論知識，有效地將實驗和理論有機結合。最后，將這些拆分的小實驗串起來，就構建成整個工程項目案例。這樣由易到難的實驗課程內容解析設置不僅能有效地將理論和實驗相結合，還能解決學生動手能力差、實驗內容難的問題，最終達到良好的教學目的。

（三）構建數字集成電路驗證虛擬機平臺，提升教學效果

隨著移動互聯網和信息技術的發展，當今課堂教學已經不再僅限于以往單純的黑板的線下教學模式。尤其是在集成電路技術的飛速發展的大形勢下，利用軟件技術構建數字集成電路驗證虛擬機平臺，該平臺在Linux 系統的環境下集成Veridi、VCS仿真調試工具，有效地將實驗室平臺搬移到寢室、家里、圖書館等任何地方。學生只需要有電腦，就可以隨時隨地完成課程實驗、工程項目。為學生創造了基于本課程靈活的學習平臺。解決了學生使用工具難的問題，增強實驗教學的靈活性和可移植性，進而提升教學效果。

綜上所述，“數字集成電路驗證技術”授課是目前集成電路領域比較新穎的一類課程，尤其是該課程在面向本科學生授課及其實驗課程的設置，難免會遇到一些新的教學問題。但只要勤于思考、與時俱進、敢于改變，一定會克服這些負面影響，獲得更好的教學效果，一定程度上解決國家對集成電路人才急需的重大難題。