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集成電路(IntegratedCircuit)產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集型、技術(shù)密集型、資本密集和人才密集型的高科技產(chǎn)業(yè),是關(guān)系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和關(guān)鍵,對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有巨大的支撐作用。經(jīng)過30多年的發(fā)展,我國集成電路產(chǎn)業(yè)已初步形成了設(shè)計、芯片制造和封測三業(yè)并舉的發(fā)展格局,產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。但與國際先進水平相比,我國集成電路產(chǎn)業(yè)還存在發(fā)展基礎(chǔ)較為薄弱、企業(yè)科技創(chuàng)新和自我發(fā)展能力不強、應(yīng)用開發(fā)水平急待提高、產(chǎn)業(yè)鏈有待完善等問題。在集成電路產(chǎn)業(yè)中,集成電路設(shè)計是整個產(chǎn)業(yè)的龍頭和靈魂。而我國集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠滯后于計算機與通信產(chǎn)業(yè),集成電路設(shè)計人才嚴重匱乏,已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此,培養(yǎng)大量高水平的集成電路設(shè)計人才,是當前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個亟待解決的問題,也是高校微電子等相關(guān)專業(yè)改革和發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。[1_4]
一、集成電路版圖設(shè)計軟件平臺
為了滿足新形勢下集成電路人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的需要,合肥工業(yè)大學(xué)(以下簡稱"我?!睆?005年起借助于大學(xué)計劃。我校相繼開設(shè)了與集成電路設(shè)計密切相關(guān)的本科課程,如集成電路設(shè)計基礎(chǔ)、模擬集成電路設(shè)計、集成電路版圖設(shè)計與驗證、超大規(guī)模集成電路設(shè)計 、 ASIC設(shè)計方法、硬件描述語言等。同時對課程體系進行了修訂,注意相關(guān)課程之間相互銜接,關(guān)鍵內(nèi)容不遺漏,突出集成電路設(shè)計能力的培養(yǎng),通過對課程內(nèi)容的精選、重組和充實,結(jié)合實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的開展,構(gòu)成了系統(tǒng)的集成電路設(shè)計教學(xué)過程。56]
集成電路設(shè)計從實現(xiàn)方法上可以分為三種:全定制(fullcustom)、半定制(Semi-custom)和基于FPGA/CPLD可編程器件設(shè)計。全定制集成電路設(shè)計,特別是其后端的版圖設(shè)計,涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計算機圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎(chǔ)理論,這是微電子學(xué)專業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養(yǎng)重點方向,目的是給本科專業(yè)學(xué)生打下堅實的設(shè)計理論基礎(chǔ)。
在集成電路版圖設(shè)計的教學(xué)中,采用的是中電華大電子設(shè)計公司設(shè)計開發(fā)的九天EDA軟件系統(tǒng)(ZeniEDASystem),這是中國唯1的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統(tǒng)兼容,支持百萬門級的集成電路設(shè)計規(guī)模,可進行國際通用的標準數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經(jīng)與國際產(chǎn)品相當甚至更優(yōu),已經(jīng)在商業(yè)化的集成電路設(shè)計公司以及東南大學(xué)等國內(nèi)二十多所高校中得到了應(yīng)用,特別是在模擬和高速集成電路的設(shè)計中發(fā)揮了強大的功能,并成功開發(fā)出了許多實用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統(tǒng)包括設(shè)計管理器,原理圖編輯器,版圖編輯工具,版圖驗證工具,層次版圖設(shè)計規(guī)則檢查工具,寄生參數(shù)提取工具,信號完整性分析工具等幾個主要模塊,實現(xiàn)了從集成電路電路原理圖到版圖的整個設(shè)計流程。
二、集成電路版圖設(shè)計的教學(xué)目標
根據(jù)培養(yǎng)目標結(jié)合九天EDA軟件的功能特點,在本科生三年級下半學(xué)期開設(shè)了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設(shè)計課程。
在集成電路版圖設(shè)計的教學(xué)中,首先對集成電路設(shè)計的_些相關(guān)知識進行回顧,介紹版圖設(shè)計的基礎(chǔ)知識,如集成電路設(shè)計流程,CMOS基本工藝過程,版圖的基本概念,版圖的相關(guān)物理知識及物理結(jié)構(gòu),版圖設(shè)計的基本流程,版圖的總體設(shè)計,布局規(guī)劃以及標準單元的版圖設(shè)計等。然后結(jié)合上機實驗,講解Unix和Linux操作系統(tǒng)的常用命令,詳細闡述基于標準單元庫的版圖設(shè)計流程,指導(dǎo)學(xué)生使用ZeniSE繪制電路原理圖,使用ZeniPDT進行NMOS/PMOS以及反相器的簡單版圖設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,讓學(xué)生自主選擇_些較為復(fù)雜的單元電路進行設(shè)計,如數(shù)據(jù)選擇器、MOS差分放大器電路、二四譯碼器、基本RS觸發(fā)器、六管MOS靜態(tài)存儲單元等,使學(xué)生能深入理解集成電路版圖設(shè)計的概念原理和設(shè)計方法。最后介紹版圖驗證的基本思想及實現(xiàn),包括設(shè)計規(guī)則的檢查(DRC),電路參數(shù)的檢查(ERC),網(wǎng)表一致性檢查(LVS),指導(dǎo)學(xué)生使用ZeniVERI等工具進行版圖驗證、查錯和修改。7]
集成電路版圖設(shè)計的教學(xué)目標是:
第熟練掌握華大EDA軟件的原理圖編輯器ZeniSE、版圖編輯模塊ZeniPDT以及版圖驗證模塊ZeniVER丨等工具的使用;了解工藝庫的概念以及工藝庫文件technology的設(shè)置,能識別基本單元的版圖,根據(jù)版圖信息初步提取出相應(yīng)的邏輯圖并修改,利用EDA工具ZSE畫出電路圖并說明其功能,能夠根據(jù)版圖提取單元電路的原理圖。
第二,能夠編寫設(shè)計版圖驗證命令文件(commandfile)。版圖驗證需要四個文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)來支持,要求學(xué)生能夠利用ZeniVER丨進行設(shè)計規(guī)則檢查DRC驗證并修改版圖、電學(xué)規(guī)則檢查(ERC)、版圖網(wǎng)表提取(NE)、利用LDC工具進行LVS驗證,利用LDX工具進行LVS的查錯及修改等。
第三,能夠基本讀懂和理解版圖設(shè)計規(guī)則文件的含義。版圖設(shè)計規(guī)則規(guī)定了集成電路生產(chǎn)中可以接受的幾何尺寸要求和可以達到的電學(xué)性能,這些規(guī)則是電路設(shè)計師和工藝工程師之間的_種互相制約的聯(lián)系手段,版圖設(shè)計規(guī)則的目的是使集成電路設(shè)計規(guī)范化,并在取得最佳成品率和確保電路可靠性的前提下利用這些規(guī)則使版圖面積盡可能做到最小。
第四,了解版圖庫的概念。采用半定制標準單元方式設(shè)計版圖,需要有統(tǒng)一高度的基本電路單元版圖的版圖庫來支持,這些基本單元可以是不同類型的各種門電路,也可以是觸發(fā)器、全加器、寄存器等功能電路,因此,理解并學(xué)會版圖庫的建立也是版圖設(shè)計教學(xué)的一個重要內(nèi)容。
三、CMOS反相器的版圖設(shè)計的教學(xué)實例介紹
下面以一個標準CMOS反相器來簡單介紹一下集成電路版圖設(shè)計的一般流程。
1.內(nèi)容和要求
根據(jù)CMOS反相器的原理圖和剖面圖,初步確定其版圖;使用EDA工具PDT打開版圖編輯器;在版圖編輯器上依次畫出P管和N管的有源區(qū)、多晶硅及接觸孔等;完成必要的連線并標注輸入輸出端。
2.設(shè)計步驟
根據(jù)CMOS反相器的原理圖和剖面圖,在草稿紙上初步確定其版圖結(jié)構(gòu)及構(gòu)成;打開終端,進入pdt文件夾,鍵入pdt,進入ZeniPDT版圖編輯器;讀懂版圖的層次定義的文件,確定不同層次顏色的對應(yīng),熟悉版圖編輯器各個命令及其快捷鍵的使用;在版圖編輯器上初步畫出反相器的P管和N管;檢查畫出的P管和N管的正確性,并作必要的修改,然后按照原理圖上的連接關(guān)系作相應(yīng)的連線,最后檢查修改整個版圖。
3.版圖驗證
打開終端,進入zse文件夾,鍵入zse,進入ZeniSE原理圖編輯器,正確畫出CMOS反相器的原理圖并導(dǎo)出其網(wǎng)表文件;調(diào)出版圖設(shè)計的設(shè)計規(guī)則文件,閱讀和理解其基本語句的含義,對其作相應(yīng)的路徑和文件名的修改以滿足物理驗證的要求;打開終端,進入pdt文件夾,鍵入pdt,進入ZeniPDT版圖編輯器,調(diào)出CMOS反相器的版圖,在線進行DRC驗證并修改版圖;對網(wǎng)表一致性檢查文件進行路徑和文件名的修改,利用LDC工具進行LVS驗證;如果LVS驗證有錯,貝懦要調(diào)用LDX工具,對版圖上的錯誤進行修改。
4.設(shè)計提示
要很好的理解版圖設(shè)計的過程和意義,應(yīng)對MOS結(jié)構(gòu)有一個深刻的認識;需要對器件做襯底接觸,版圖實現(xiàn)上襯底接觸直接做在電源線上;接觸孔的大小應(yīng)該是一致的,在不違反設(shè)計規(guī)則的前提下,接觸孔應(yīng)盡可能的多,金屬的寬度應(yīng)盡可能寬;繪制圖形時可以多使用〃復(fù)制"操作,這樣可以大大縮小工作量,且設(shè)計的圖形滿足要求并且精確;注意P管和N管有源區(qū)的大小,一般在版圖設(shè)計上,P管和N管大小之比是2:1;注意整個版圖的整體尺寸的合理分配,不要太大也不要太小;注意不同的層次之間應(yīng)該保持一定的距離,層次本身的寬度的大小要適當,以滿足設(shè)計規(guī)則的要求。四、基本MOS差分放大器版圖設(shè)計的設(shè)計實例介紹在基本MOS差分放大器的版圖設(shè)計中,要求學(xué)生理解構(gòu)成差分式輸入結(jié)構(gòu)的原理和組成結(jié)構(gòu),畫出相應(yīng)的電路原理圖,進行ERC檢查,然后根據(jù)電路原理圖用PDT工具上繪制與之對應(yīng)的版圖。當將基本的版圖繪制好之后,對版圖里的輸入、輸出端口以及電源線和地線進行標注,然后利用幾何設(shè)計規(guī)則文件進行在線DRC驗證,利用版圖與電路圖的網(wǎng)表文件進行LVS檢查,修改其中的錯誤并優(yōu)化版圖,最后全部通過檢查,設(shè)計完成。
五、結(jié)束語
集成電路版圖設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生鞏固了集成電路設(shè)計方面的理論知識,提高了學(xué)生在集成電路設(shè)計過程中分析問題和解決問題的能力,為今后的職業(yè)生涯和研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。因此,在今后的教學(xué)改革工作中,除了要繼續(xù)提高教師的理論教學(xué)水平外,還必須高度重視以EDA工具和設(shè)計流程為核心的實踐教學(xué)環(huán)節(jié),努力把課堂教學(xué)和實際設(shè)計應(yīng)用緊密結(jié)合在一起,培養(yǎng)學(xué)生的實際設(shè)計能力,開闊學(xué)生的視野,在實驗項目和實驗內(nèi)容上進行新的探索和實踐。
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【關(guān)鍵詞】集成電路版圖;教學(xué)方法;改革
集成電路版圖設(shè)計是集成電路設(shè)計的最終結(jié)果,版圖質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個芯片的性能和經(jīng)濟性,因此,如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)好集成電路版圖設(shè)計技術(shù),具備成為合格的版圖設(shè)計工程師的基本潛質(zhì),是擺在微電子專業(yè)老師面前的一個普遍難題。如何破解這個難題,我們做了以下探索。
一、突出實踐,理論配合
傳統(tǒng)的《集成電路版圖設(shè)計》課程采取理論教育優(yōu)先,學(xué)生對于版圖的基本理論和設(shè)計規(guī)則非常熟悉,但動手實踐能力缺乏培養(yǎng),往往在學(xué)生畢業(yè)后進入集成電路設(shè)計企業(yè)還需二次培訓(xùn)版圖設(shè)計能力,造成了嚴重的人力資源浪費。這是由于沒有清晰的認識《集成電路版圖設(shè)計》課程的性質(zhì),造成對它的講授還是采取傳統(tǒng)教學(xué)方式:老師講,學(xué)生聽,偏重理論,缺乏實踐,影響到學(xué)生在工作中面臨實際設(shè)計電路能力的發(fā)揮?!都呻娐钒鎴D設(shè)計》是一門承接系統(tǒng)、電路、工藝、EDA技術(shù)的綜合性課程,如果按照傳統(tǒng)方式授課,課程的綜合性和實踐性無法得到體現(xiàn),違背了課程應(yīng)有的自身規(guī)律,教學(xué)效果和實用意義不能滿足工業(yè)界的要求。我們在重新思考課程的本質(zhì)特點后,采取了實踐先行,理論配合的教學(xué)方法,具體如下:集成電路版圖是根據(jù)邏輯與電路功能和性能要求,以及工藝水平要求來設(shè)計光刻用的掩膜圖形,實現(xiàn)芯片設(shè)計的最終輸出。版圖是一組相互套合的圖形,各層版圖相應(yīng)于不同的工藝步驟,每一層版圖使用不同的圖案來表示。我們首先講授版圖設(shè)計工具EDA軟件的使用,讓學(xué)生掌握EDA軟件的每一個主要功能,從圖形的選擇、材料的配置,讓學(xué)生從感性角度認識實際的版圖設(shè)計是如何開展的,每一個步驟是如何使用軟件完成的,整體芯片版圖設(shè)計的流程有哪些規(guī)定,學(xué)生此時設(shè)計的版圖可能不是很精確和完美,但學(xué)生對于什么是版圖和如何設(shè)計版圖有了初步的感性認識,建立起版圖設(shè)計的基本概念,對于后續(xù)的學(xué)習奠定了牢實的實踐基礎(chǔ),此時再去講授版圖設(shè)計理論知識,學(xué)生更能理解深層的工藝知識和半導(dǎo)體理論,真正做到了知行合一,實踐先行的教育理念,對學(xué)生能力的培養(yǎng)大有裨益。
二、注重細節(jié),加強引導(dǎo)
傳統(tǒng)方式講授《集成電路版圖設(shè)計》理論占大部分時間,學(xué)生知道二極管、晶體管、場效應(yīng)管、電阻、電容等基本元器件的工作原理和構(gòu)成要素,但是在版圖設(shè)計中,這些元器件為什么要這樣設(shè)計,其實內(nèi)心中充滿著疑惑和不解。針對學(xué)生的疑惑,我們從工藝細節(jié)入手來解決這個問題。作為集成電路版圖設(shè)計者,首先要熟悉工藝條件和期間物理,才能確定晶體管的具體尺寸、連線的寬度、間距、各次掩膜套刻精度等。版圖設(shè)計的規(guī)則也是由工藝來確定的,掌握了工藝也就掌握了版圖設(shè)計的鑰匙。我們將通用工藝文件的每一條規(guī)則向?qū)W生講解,通用元器件的規(guī)則整理出它們的共性,最小寬度、長度、間距的尺寸提醒學(xué)生要記憶,不同芯片生產(chǎn)廠的工藝對比學(xué)習和研究,學(xué)生在這一系列規(guī)則的學(xué)習過程中,慢慢理解熟悉了工藝規(guī)則文件的組織構(gòu)成及學(xué)習要點,能夠舉一反三的在不同工藝規(guī)則下,設(shè)計同一種元器件的版圖,即使電路元器件的數(shù)量巨大,電路拓撲關(guān)系復(fù)雜,在老師耐心的講解下,學(xué)生也能夠依據(jù)工藝規(guī)則設(shè)計出符合要求的版圖,這都是在理解了工藝規(guī)則細節(jié)的基礎(chǔ)上完成的。所以,關(guān)注細節(jié),加強引導(dǎo),是提高學(xué)生學(xué)習效果的一個重要方法。
三、完善考核機制,爭取比賽練兵
學(xué)生成績的提高,合理完善的考核機制不可或缺。以往《集成電路版圖設(shè)計》課程的考核主要是理論知識作業(yè)和課程報告,學(xué)生的學(xué)習效果和實際動手能力沒有得到考核,造成不能全面評價學(xué)生的學(xué)習成績。我們采取項目形式,全方位考核學(xué)生的學(xué)習效果。根據(jù)知識點,將通用模擬電路分成五大類,每個大類提取出經(jīng)典的電路10種,使用主流芯片加工廠的生產(chǎn)工藝,由經(jīng)驗豐富的老師把它們的版圖全部設(shè)計出來,作為庫單元放在服務(wù)器中供學(xué)生參考。在學(xué)生充分理解庫單元實例的基礎(chǔ)上,將以往設(shè)計的一些實用電路布置給學(xué)生,要求在規(guī)定的時間內(nèi),設(shè)計出合格的版圖,以此作為最終的考核結(jié)果。學(xué)生在學(xué)習課程期間,可以接觸到不同工藝、不同結(jié)構(gòu)的多種類電路,而且必須在規(guī)定的時間內(nèi)設(shè)計出版圖,這極大的促進了他們學(xué)習的積極性和時間觀念。學(xué)生在設(shè)計版圖的過程中,會遇到多種問題,他們會采取問老師答疑,和同學(xué)討論的多種方式解決,不僅能督促他們平時上課認真聽講,而且對遇到的問題也能多角度思考,最重要的是他們親自動手設(shè)計版圖,將工藝、電路、器件綜合考慮,在約定的時間內(nèi)能力得到極大提高。老師根據(jù)學(xué)生上傳至服務(wù)器中設(shè)計的不同項目版圖打分,而且將每個項目的得分出具詳細的報告,對學(xué)生的成績進行點評。學(xué)生通過查閱報告,能夠知道課程學(xué)習的缺點和得分項,為下一次提高設(shè)計成績是一個很好的參考。除了日常學(xué)習設(shè)計版圖項目,學(xué)生可以爭取參加微電子專業(yè)的一些比賽,通過比賽體會一些具有挑戰(zhàn)性的版圖設(shè)計項目,來提高學(xué)生在實際場景下如何發(fā)揮設(shè)計能力和項目組織能力,為他們未來進入職場從事版圖設(shè)計工作奠定堅實的專業(yè)能力和實際解決問題能力。
四、總結(jié)
《集成電路版圖設(shè)計》課程是一門兼具理論基礎(chǔ)和實踐鍛煉想結(jié)合的課程,對它的講授不僅需要扎實的理論基礎(chǔ),還需合理的實踐環(huán)節(jié)配合,才能取得良好的教學(xué)效果。
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基金項目:北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金。
當今世界,計算機的發(fā)展已成為領(lǐng)導(dǎo)工業(yè)現(xiàn)代化進程的潮頭軍,自1946年世界第一臺電子計算機誕生以來,短短的五十多年間,計算機作為一種現(xiàn)代化的高級工具以驚人的速度迅速地滲透到了社會生活的各個領(lǐng)域,引起了全球的技術(shù)革命。計算機技術(shù)的飛速發(fā)展離不開另一門產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,即集成電路產(chǎn)業(yè)。因為集成電路的出現(xiàn)才使計算機擺脫了電子管、晶體管等原材料構(gòu)件的束縛,逐步走向小型化,輕型化,高智能化,迅速走向了社會,走入了家庭。
集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,產(chǎn)生了許多新的法律問題,由于傳統(tǒng)知識產(chǎn)權(quán)法的局限性以及集成電路及其布圖設(shè)計本身存在著的特殊性,集成電路布圖設(shè)計的法律保護問題也引起了法學(xué)界的極大關(guān)注。各國也紛紛就集成電路布圖設(shè)計進行立法,以保護此種特殊性質(zhì)的知識產(chǎn)權(quán)不受侵害。
我國早在1991年國務(wù)院就已將《半導(dǎo)體集成電路布圖設(shè)計保護條例》列入了立法計劃,經(jīng)過10年的醞釀,我國的《集成電路布圖設(shè)計保護條例》終于于2001年3月28日由國務(wù)院第36次會議通過,并于2001年10月1日起施行。這是目前我國保護集成電路布圖設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)的一部重要法規(guī)。雖然它是一部行政法規(guī),但經(jīng)過試行一段時間到條件成熟后,將之上升為法律的形式是必然的趨勢。我國采用專門立法的形式保護集成電路布圖設(shè)計既尊重了國際知識產(chǎn)權(quán)保護的原則,又便于與國際法律接軌,而且這部條例既保護了集成電路布圖設(shè)計專有權(quán)人的權(quán)益,又考慮到了國家和公眾的利益,使技術(shù)進步不受到人為的限制。這一條例初步建立了我國集成電路布圖設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)保護的理論體系,進一步完善了我國的知識產(chǎn)權(quán)法律制度。
一、集成電路和布圖設(shè)計的概念與特點
集成電路是指半導(dǎo)體集成電路,即以半導(dǎo)體材料為基片,將至少有一個是有源元件的兩個以上元件和部分或者全部互連線路集成在基片之中或基片之上,以執(zhí)行某種電子功能的中間產(chǎn)品或者最終產(chǎn)品。一塊集成電路通過控制電流在其電路中的流動來實現(xiàn)其功效。在計算機發(fā)展的初期,每個電路元件(如晶體管、電阻、電容等)都是用引線同電路中的其它元件相連接的。這種做法須耗費大量的勞動力與工時,且計算機制作成本很高,大量連線的存在使電流的流動距離增長,不僅影響了計算機工作的速度和可靠性,還引起電路功耗的增加,從而帶來電路的散熱以及要求有較高電壓的電源等一系列的問題。這也正是最初計算機體積龐大、耗電量大、速度慢的根本原因。采用集成電路以后,這些問題就得到了解決:由于電路元件及連線實質(zhì)上已成為一體,作為一塊電路板上的不同元件,它們之間的電流交換速度大大增強,且電路的功耗亦大幅度降低,不僅提高了計算機的性能,還大大降低了計算機的成本。由于生產(chǎn)集成電路的主要原材料硅、鋁、水等一些化合物并不昂貴,但經(jīng)過加工以后得到的集成電路產(chǎn)品的價值往往可以達到其材料價值的幾十倍,幾百倍甚至上千倍。在其價值成本中,大部分都是知識、技術(shù)與信息所增加的附加價值。這種附加價值主要集中在以集成電路為載體而體現(xiàn)出來的人類智慧的結(jié)晶-布圖設(shè)計的價值上。就象相同的磁帶因為錄制不同的歌曲其價值就會不同一樣,用相同的技術(shù)工藝在同樣的芯片上依不同的布圖設(shè)計所制作出的集成電路,其價值也是不同的。好的布圖設(shè)計制作出的芯片往往能具備更高的性能和工作速度。因此,集成電路的法律保護問題,歸根結(jié)底在于對其布圖設(shè)計的保護。
對布圖設(shè)計,世界各國的稱呼各有不同:美國稱之為掩膜作品,(Mask Work),日本稱之為電路布局(Circuit Layout),歐洲國家采用的是另一個英文單詞Topography(拓樸圖),而世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)于1987年2月通過的《關(guān)于集成電路知識產(chǎn)權(quán)保護條約》(簡稱《WIPO條約》或《華盛頓條約》)中則采用了Layout-design(布圖設(shè)計)一詞。這些詞語字面上的表示雖各不相同,但其真正的含義都是相同的,即指集成電路中各種元件的三維配置。許多人認為布圖設(shè)計只是一種設(shè)計圖,就象建筑工程設(shè)計圖一樣。事實上布圖設(shè)計與建筑工程設(shè)計圖這種一般的二維設(shè)計圖是不同的,它是一種有許多不同層面的三維設(shè)計,每一層面上又有許多復(fù)雜的電路布圖裝置圖,而且最重要的是,真正可以用于實踐的布圖設(shè)計是經(jīng)過了特殊的工藝按實物尺寸復(fù)制在玻璃板上,可以直接加工在芯片上的模本,即掩膜版?,F(xiàn)在世界上雖已有一些更先進的模本技術(shù),但是最終布圖設(shè)計還是必須做成與集成電路產(chǎn)品實物一般大小的模本,才可算是完成了布圖設(shè)計的制作。在生產(chǎn)過程中,這些模本是直接被“做”到產(chǎn)品中去成為產(chǎn)品的一部分,而不是象建筑設(shè)計圖那樣本身與實際的建造結(jié)果之間并無聯(lián)系。一個小小的掩膜作品中所包含的電路設(shè)計圖往往可以是幾十張上千張甚至上萬張。設(shè)計一組布圖設(shè)計,需要付出巨大的創(chuàng)造性勞動,它代表著芯片開發(fā)中的主要投資,可占其成本的50%以上。布圖設(shè)計作為人類智力勞動的成果,具有知識產(chǎn)權(quán)客體的許多共性特征,應(yīng)當成為知識產(chǎn)權(quán)法保護的對象,其特點主要表現(xiàn)在:
(一)無形性。
布圖設(shè)計作為一種元件的“三維配置”,這種配置方式本身是無形的、抽象的,是人類智慧的體現(xiàn),但它可以通過有形的載體表現(xiàn)出來而為人所感知。當它被制作成芯片時,表現(xiàn)為一定的構(gòu)形;當它被制成掩膜版時,表現(xiàn)為一定的圖形;當它被輸入計算機時,則以一定的數(shù)據(jù)代碼的方式存儲在磁盤之中。
(二)可復(fù)制性。
布圖設(shè)計具有可復(fù)制性,但其可復(fù)制性與一般著作權(quán)客體的可復(fù)制性不同。當布圖設(shè)計的載體為掩膜版時,它以圖形方式存在,這時只要對全套掩膜版加以翻拍,即可復(fù)制出全部的布圖設(shè)計。當布圖設(shè)計以磁盤為載體時,同樣可用通常的拷貝方法復(fù)制。當布圖設(shè)計的載體為集成電路芯片時,它同樣可以被復(fù)制,只是復(fù)制過程相對要復(fù)雜一些。復(fù)制者要先把芯片的塑料或陶瓷外殼打開,利用一臺高分辨率的照相機,把頂上的金屬聯(lián)接層照下來,再用酸把這層金屬腐蝕掉,對下面那層半導(dǎo)體材料照相,獲得該層的掩膜作品。照完后利用相同的方法再照下一層,如此一步一步做下去,就可以得到這一芯片的全套掩膜,依靠這套掩膜就可以模仿生產(chǎn)該芯片。這種從集成電路成品著手,利用特殊技術(shù)手段了解其布圖設(shè)計的方法被稱為“反向工程”方法。這種方法雖需一定的技術(shù)要求,但是比起原開發(fā)者漫長艱辛的開發(fā)過程,其所花費的時間和精力都只是后者的若干分之一。
(三)表現(xiàn)形式的非任意性。
布圖設(shè)計是與集成電路的功能相對應(yīng)的。布圖設(shè)計的表現(xiàn)形式要受到電路參數(shù)、實物產(chǎn)品尺寸、工藝技術(shù)水平、半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布等技術(shù)因素和物理規(guī)律的限制,因此開發(fā)新的功能相同或相似的集成電路,其布圖設(shè)計不得不遵循共同的技術(shù)原則和設(shè)計原則,有時還要采用相同的線寬,甚至采用相同的電路單元。這就造成了對布圖設(shè)計侵權(quán)認定難度的加大,有關(guān)這一點,筆者將在后文論述。
由以上特點可以看出,布圖設(shè)計的無形性是知識產(chǎn)權(quán)客體的共性,可復(fù)制性是著作權(quán)客體的一個必要特征,表現(xiàn)形式的非任意性則是工業(yè)產(chǎn)權(quán)客體的特性,因此,布圖設(shè)計成為了一種兼有著作權(quán)和工業(yè)產(chǎn)權(quán)客體雙重屬性的特殊知識產(chǎn)權(quán)客體,很難在傳統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)法律保護體系中得到完善的保護。因此要想求取良好適當?shù)姆杀Wo模式,就必須突破傳統(tǒng)的界限。針對布圖設(shè)計自身的特征,制定出專門的單行法律加以保護,這是世界上大多數(shù)國家的共識。我國也正是采用了此種立法方式。
二、我國集成電路布圖設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)保護的理論體系
我國集成電路布圖設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)保護體系是在傳統(tǒng)知識產(chǎn)權(quán)法理論的基礎(chǔ)上,借鑒國外的一些理論和實踐建立起來的。這一理論體系的核心概念即布圖設(shè)計專有權(quán)。
(一)布圖設(shè)計專有權(quán)的概念和要素
1、概念
布圖設(shè)計專有權(quán)就是布圖設(shè)計的創(chuàng)作人或者其他權(quán)利人對布圖設(shè)計所享有的權(quán)利,具體來說,就是指國家依據(jù)有關(guān)集成電路的法律規(guī)定,對于符合一定手續(xù)和條件的布圖設(shè)計,授予其創(chuàng)作人或其他人在一定期間內(nèi)對布圖設(shè)計進行復(fù)制和商業(yè)利用的權(quán)利。布圖設(shè)計專有權(quán)作為一種獨立的知識產(chǎn)權(quán),既不屬于專利權(quán),也不屬于著作權(quán)。而且,布圖設(shè)計專有權(quán)是以布圖設(shè)計為權(quán)利客體的,權(quán)利人對與布圖設(shè)計有關(guān)的集成電路或其中所含的信息并不享有權(quán)利。
2、要素
布圖設(shè)計專有權(quán)的要素包括三個,即布圖設(shè)計專有權(quán)的主體、客體和內(nèi)容。
(1)布圖設(shè)計專有權(quán)的主體。
布圖設(shè)計專有權(quán)的主體,即布圖設(shè)計權(quán)利人,是指依照集成電路布圖設(shè)計保護法的規(guī)定,對布圖設(shè)計享有專有權(quán)的自然人、法人或其他組織。根據(jù)我國《集成電路布圖設(shè)計保護條例》的規(guī)定,能夠享有布圖設(shè)計專有權(quán)的人主要有以下幾類:
①布圖設(shè)計創(chuàng)作者或合作創(chuàng)作者
布圖設(shè)計的創(chuàng)作者或合作創(chuàng)作者即以自己的智力勞動單獨或共同完成布圖設(shè)計的人。由于布圖設(shè)計的各個部分是密不可分的,具有整體性,缺少任何一部分布圖設(shè)計都將無法完成預(yù)先希望達到的功能,因此,由多人共同創(chuàng)作完成的布圖設(shè)計其權(quán)利只能作為一個整體由各創(chuàng)作人共同享有,即使各創(chuàng)作人所創(chuàng)作的部分能夠與他人的部分相區(qū)分,他也不可能就這一部分設(shè)計單獨享有權(quán)利。但是法律允許合作者就布圖設(shè)計專有權(quán)的歸屬作出約定。
②主持創(chuàng)作布圖設(shè)計的法人或組織
根據(jù)我國《集成電路布圖設(shè)計保護條例》第9條第二款的規(guī)定:“由法人或者其他組織主持,依據(jù)法人或者其他組織的意志而創(chuàng)作,并由法人或者其他組織承擔責任的布圖設(shè)計,該法人或者其他組織是創(chuàng)作者?!庇煞ㄈ嘶蚪M織主持創(chuàng)作的布圖設(shè)計類似于版權(quán)法中的職務(wù)作品,其權(quán)利不由直接完成創(chuàng)作的人享有而由有關(guān)的單位享有。
③經(jīng)約定可以享有權(quán)利的委托人
對于委托創(chuàng)作布圖設(shè)計的情形,我國的規(guī)定是:“受委托創(chuàng)作的布圖設(shè)計,其專有權(quán)的歸屬由委托人和受托人雙方約定,未作約定或者約定不明的其專有權(quán)由受托人享有?!彼砸蚴芪卸瓿傻牟紙D設(shè)計的專有權(quán)歸屬,首先依委托人與受托人的約定,雙方未約定或約定不明的,由受托人也就是直接完成創(chuàng)作行為的人享有布圖設(shè)計專有權(quán)。
④以上主體的權(quán)利繼受人
布圖設(shè)計權(quán)利人是自然人的,自然死亡之后,其專有權(quán)在法律規(guī)定的保護期內(nèi)可依照繼承法的規(guī)定轉(zhuǎn)移。布圖設(shè)計專有權(quán)屬于法人或者其他組織的,法人或者其他組織變更、終止后,其專有權(quán)在法律規(guī)定的保護期內(nèi)由承繼其權(quán)利、義務(wù)的法人或者其他組織享有,沒有承繼其權(quán)利、義務(wù)的法人或者其他組織的,則布圖設(shè)計進入公有領(lǐng)域。
另外,我國法律還規(guī)定外國人創(chuàng)作的布圖設(shè)計首先在中國境內(nèi)投入商業(yè)利用的,依照我國的法律可享有布圖設(shè)計專有權(quán)。外國人創(chuàng)作的布圖設(shè)計其他作者所屬國同中國簽訂有關(guān)布圖設(shè)計保護協(xié)議或與中國共同參加有關(guān)布圖設(shè)計保護的國際條約的,也可依我國法享有布圖設(shè)計專有權(quán)。
(2)布圖設(shè)計專有權(quán)的客體。
《集成電路布圖設(shè)計保護條例》中規(guī)定,布圖設(shè)計專有權(quán)的客體是具有獨創(chuàng)性的布圖設(shè)計。這一規(guī)定與《WIPO條約》①中的規(guī)定是一致的,我國已是該條約的正式簽字國。布圖設(shè)計的獨創(chuàng)性是指該布圖設(shè)計是創(chuàng)作者自己的智力勞動成果,并且在其創(chuàng)作時該布圖設(shè)計在布圖設(shè)計創(chuàng)作者和集成電路制造者中不是公認的常規(guī)設(shè)計。但如由常規(guī)設(shè)計組成的布圖設(shè)計,其組合作為整體符合前述條件的,也是受到保護的客體。這一規(guī)定是為保護集成電路進一步發(fā)展而作的特別規(guī)定。我國法對布圖設(shè)計的保護,不延及思想、處理過程、操作方法或者數(shù)學(xué)概念等。具體來說,一項布圖設(shè)計要取得專有權(quán),必須具備以下的條件:
①實質(zhì)要件:申請保護的布圖設(shè)計必須具有原創(chuàng)性。
具有原創(chuàng)性包括兩層含義,一是指該布圖設(shè)計必須是創(chuàng)作人自己智力勞動的成果,而非簡單復(fù)制他人的布圖設(shè)計。二是指該布圖設(shè)計應(yīng)具備一定的先進性,即它在創(chuàng)作完成時不能是當時集成電路產(chǎn)業(yè)中常用的,顯而易見的或為人所熟知的。
對原創(chuàng)性的規(guī)定,大多數(shù)國家都大致相同,《WIPO條約》中對此亦作出了詳細的規(guī)定,我國作為集成電路技術(shù)較為落后的發(fā)展中國家,作出這樣的規(guī)定有利于鼓勵有關(guān)技術(shù)人員的積極性和主動性,以促進集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
②形式要件:即取得保護的布圖設(shè)計在形式上必須具備的條件。
我國以登記作為布圖設(shè)計取得權(quán)利保護的形式要件。
我國已規(guī)定了一套類似計算機軟件版權(quán)登記的布圖設(shè)計權(quán)登記制度。如果不進行登記,權(quán)利人將很難證明其布圖設(shè)計在創(chuàng)作完成時是非顯而易見的,因為布圖設(shè)計的發(fā)展十分迅速,等到侵權(quán)糾紛出現(xiàn)時,舉證已相當困難,建立一套登記制度即可在很大程度上解決這一難題。
(3)布圖設(shè)計專有權(quán)的內(nèi)容
布圖設(shè)計專有權(quán)的內(nèi)容即指布圖設(shè)計專有權(quán)的具體權(quán)能。根據(jù)《集成電路布圖設(shè)計保護條例》的規(guī)定,我國的布圖設(shè)計專有權(quán)的權(quán)能主要包括:
①復(fù)制權(quán),即權(quán)利人有權(quán)通過光學(xué)的、電子學(xué)的方式或其他方式來復(fù)制其受保護的布圖設(shè)計或者含有該布圖設(shè)計的集成電路。這種復(fù)制(reproduce)與版權(quán)法中的復(fù)制(copy)是不同的,它必須通過特殊的方法實現(xiàn),實際上是一種重新制作。所以,我國《條例》中明確規(guī)定:“復(fù)制,是指重復(fù)制作布圖設(shè)計或者含有該布圖設(shè)計的集成電路的行為?!?/p>
②商業(yè)利用權(quán),即布圖設(shè)計權(quán)人享有的將受保護布圖設(shè)計以及含有該受保護的布圖設(shè)計的集成電路或含此種集成電路的產(chǎn)品進行商業(yè)利用的權(quán)利。各國立法對此權(quán)利內(nèi)容的規(guī)定不完全相同,但一般都包括出售權(quán)、出租權(quán)、展覽陳列權(quán)以及為商業(yè)目的或其他方式的利用而進口的權(quán)利等。我國法所規(guī)定的商業(yè)利用,是指為商業(yè)目的進口、銷售或者以其他方式提供受保護的布圖設(shè)計,含有該布圖設(shè)計的集成電路或者含有該集成電路的物品的行為。
值得注意的是,從各國現(xiàn)有的集成電路法規(guī)定看,布圖設(shè)計權(quán)均不包括任何精神權(quán)利,且布圖設(shè)計權(quán)不影響權(quán)利人根據(jù)其他法律而對布圖設(shè)計所享有的權(quán)利。
(二)布圖設(shè)計專有權(quán)的權(quán)利限制
作為一種知識產(chǎn)權(quán),和專利權(quán)及版權(quán)一樣,布圖設(shè)計權(quán)的行使也存在一定的限制。從各國立法的情況來看,對布圖設(shè)計權(quán)利的限制主要有以下幾種:
1.合理使用。這與版權(quán)中的合理使用相類似,主要包括為個人目的而復(fù)制或利用和為教學(xué)研究而復(fù)制或利用。
2.合理的反向工程。反向工程是現(xiàn)代集成電路工業(yè)發(fā)展的主要手段之一,但是反向工程也具有一定的特殊性,因為在復(fù)制他人布圖設(shè)計時也可能會用到反向工程的技術(shù),以科學(xué)研究為目的的反向工程是合法的,而單純?yōu)楂@取他人布圖設(shè)計而進行的反向工程則是非法的,這又涉及到一個侵權(quán)認定的問題。
3.權(quán)利窮竭。布圖設(shè)計權(quán)人或經(jīng)其受權(quán)的人將受保護的布圖設(shè)計或含有該布圖設(shè)計的集成電路產(chǎn)品投入市場以后,對與該布圖設(shè)計或該集成電路產(chǎn)品有關(guān)的任何商業(yè)利用行為,不再享有權(quán)利。
4.善意買主。即基于善意,不知道有關(guān)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品的保護的存在而購買了該半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品的人。這些人的行為是不能構(gòu)成布圖設(shè)計侵權(quán)的。
5.強制許可。即在一定條件下,一國政府可以不經(jīng)布圖設(shè)計權(quán)利人的同意強制作可他人或有關(guān)的組織使用其布圖設(shè)計。這一做法主要由一些發(fā)展中國家采用,一些發(fā)達國家如美國對此持反對意見。《WIPO條約》對強制許可采取了肯定的態(tài)度,允許締約各國根據(jù)自己實際情況在法律上規(guī)定強制許可制度。
根據(jù)我國《集成電路布圖設(shè)計條例》第四章的規(guī)定,我國對布圖設(shè)計專有權(quán)行使的限制主要體現(xiàn)在以下這幾個方面:
(1)為個人目的或者單純?yōu)樵u價、分析、研究、教學(xué)等目的而復(fù)制受保護的布圖設(shè)計的。
(2)在依據(jù)前項評價、分析受保護的布圖設(shè)計的基礎(chǔ)上,創(chuàng)作出具有獨創(chuàng)性的布圖設(shè)計的。
(3)對自己獨立創(chuàng)作的與他人相同的布圖設(shè)計進行復(fù)制或者將其投入商業(yè)利用的。
(4)受保護的布圖設(shè)計、含有該布圖設(shè)計的集成電路或者含有該集成電路的物品,由布圖設(shè)計權(quán)利人或者經(jīng)其許可投放市場后,他人再次商業(yè)利用的。
(5)在國家出現(xiàn)緊急狀態(tài)或者非常情況時,或者為了公共利益的目的,或者經(jīng)人民法院、不正當競爭行為監(jiān)督檢查部門依法認定布圖設(shè)計權(quán)利人有不正當競爭行為而需要給予補救時,國務(wù)院知識產(chǎn)權(quán)行政部門可以給予使用其布圖設(shè)計的非自愿許可。但是取得非自愿許可的自然人,法人或其他組織應(yīng)向布圖設(shè)計權(quán)利人支付合理的報酬,其數(shù)額由雙方協(xié)商;雙方不能達成協(xié)議的,由國務(wù)院知識產(chǎn)權(quán)行政部門裁決。
由以上這些規(guī)定可以看出,我國基本上采用了與《WIPO條約》相似的規(guī)定,這有利于我國的集成電路布圖設(shè)計與國際法律規(guī)定的接軌。
(三)布圖設(shè)計侵權(quán)及其認定
所謂布圖設(shè)計侵權(quán),即指侵犯了布圖設(shè)計權(quán)利人的權(quán)利,依法應(yīng)承擔法律責任的行為。它主要包括非法復(fù)制與非法進行商業(yè)利用兩種。其中非法進行商業(yè)利用的行為比較容易認定,也易取證,但對非法復(fù)制的認定卻存在一定的難度。非法復(fù)制主要有兩種:
1.完全復(fù)制,即將原布圖設(shè)計原封不動照搬下來。這種情況比較好認定,因為開發(fā)一種布圖設(shè)計是一項艱巨復(fù)雜的腦力勞動,兩個相互獨立的開發(fā)人在互不接觸的情況下獨立開發(fā)的兩種功能相同的布圖設(shè)計,雖然在電路原理上有可能相似,但是表現(xiàn)在掩膜版上的具體元件布置、連線等布局完全一模一樣的可能性幾乎為零,因此在實踐中如發(fā)現(xiàn)兩種完全一樣的布圖設(shè)計,那么必定是后一布圖設(shè)計人復(fù)制了前一設(shè)計人的布圖設(shè)計,舉證責任主要集中在開發(fā)時間先后上,如果規(guī)定有布圖設(shè)計的登記制度,這就比較容易認定。
2.部分復(fù)制,即仿制,這是目前存在的布圖設(shè)計侵權(quán)行為中占比重最大,而且也是最難認定的一種侵權(quán)行為。它之所以難以認定的主要原因是布圖設(shè)計中有許多共同遵循的基本電路原理和技術(shù)原則,再加上新舊布圖設(shè)計之間需有兼容性的要求,在功能相類似的布圖設(shè)計中不可避免地會有一些相同或相似的地方。因此許多布圖設(shè)計侵權(quán)人在獲取他人布圖設(shè)計作品以后,將一些無關(guān)緊要的元件位置作一定的改動,在電路設(shè)計連線上再作一些調(diào)整,就會使新的布局與原有的布局很不相同,尤其在制作成集成電路產(chǎn)品以后,肉眼無法觀察,必須借助機器進行復(fù)雜的技術(shù)處理后才能認定,這就更增加了對此種侵權(quán)行為認定的難度。
筆者認為,在認定這種侵權(quán)行為時必須抓住兩個關(guān)鍵:一是兩種布圖設(shè)計是否實質(zhì)相似,二是另一布圖設(shè)計創(chuàng)作人是否曾接觸過受保護的布圖設(shè)計。確定了這兩點,侵權(quán)的判定即可成立。對是否實質(zhì)相似的認定,主要可從兩個方面著手:(1)從設(shè)計組成上看,首先在量上確定,兩種布圖設(shè)計相同的部分有多少,占全部布圖設(shè)計的比重有多大,一般而言,相同的越多,是復(fù)制的可能性就越大,另外在質(zhì)上可考察相同的部分在整個設(shè)計中所起的作用是否相同,如果起的都是核心的作用,那么就很容易構(gòu)成實質(zhì)相似。(2)從功能上看,兩種布圖設(shè)計的功能是否相同是二者是否實質(zhì)相似的根本要件,如果兩種功能完全不同的布圖設(shè)計,即使其元件布局、線路布置絕大部分相同,也不可能構(gòu)成實質(zhì)相似。抓住了這兩個關(guān)鍵,對于仿制的侵權(quán)認定就相對容易了。
總之,我國的《集成電路布圖設(shè)計條例》已初步建立了我國的集成電路布圖設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)保護理論體系,對布圖設(shè)計侵權(quán)作了規(guī)定,并且規(guī)定了侵權(quán)人應(yīng)當承擔的法律責任。但我們?nèi)孕枰诮窈蟮牟紙D設(shè)計權(quán)利保護實踐中進一步改善我國的保護制度,使布圖設(shè)計專有權(quán)的保護更全面更完善,從而促進我國集成電路產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。
[注 釋]:
①即《關(guān)于集成電路的知識產(chǎn)權(quán)條約》(Treaty on the Intellectual Property in Respect of Integrated Circuits),是世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)于1989年5月在華盛頓通過的一部國際條約,簡稱《WIPO條約》?,F(xiàn)在已在這個條約上簽字的國家有埃及、加納、利比里亞、危地馬拉、南斯拉夫、贊比亞、印度和中國等。
[參考書目]
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關(guān)鍵詞:課程體系改革;教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化;集成電路設(shè)計
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)34-0076-02
以集成電路為龍頭的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性支柱產(chǎn)業(yè)。國家高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,2000年,國務(wù)院頒發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務(wù)院了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業(yè)和信息化部印發(fā)了《集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,我國集成電路產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。然而,我國的集成電路設(shè)計水平還遠遠落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。2013年,全國進口產(chǎn)品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務(wù)院總理在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè),明確指出,要設(shè)立新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數(shù)據(jù)、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2014年6月,國務(wù)院頒布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》,加快推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設(shè)計人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。2010年,我國芯片設(shè)計人員達不到需求的10%,集成電路設(shè)計人才的培養(yǎng)已成為當前國內(nèi)高等院校的一個迫切任務(wù)[1]。為滿足市場對集成電路設(shè)計人才的需求,2001年,教育部開始批準設(shè)置“集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)[2]。
我校2002年開設(shè)電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè),期間,由于專業(yè)調(diào)整,暫停招生。2012年,電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)恢復(fù)本科招生,主要專業(yè)方向為集成電路設(shè)計。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,提出了集成電路設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式[3]。本文根據(jù)培養(yǎng)模式要求,從課程體系設(shè)置、課程內(nèi)容優(yōu)化兩個方面對集成電路設(shè)計方向的專業(yè)課程體系進行改革和優(yōu)化。
一、專業(yè)課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)。“專業(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”是集成電路設(shè)計的專業(yè)基礎(chǔ)課,為后續(xù)更好地學(xué)習專業(yè)方向課提供理論基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)不打扎實,將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習專業(yè)課程時存在較大困難,更甚者將導(dǎo)致其學(xué)業(yè)荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性,學(xué)生在后面學(xué)習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學(xué)得懂。但國內(nèi)某些高校將這些課程設(shè)置為選修課,開設(shè)較少課時量,學(xué)生不能全面、深入地學(xué)習;有些院校甚至不開設(shè)這些課程[4]。比如,我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)就沒有開設(shè)“晶體管原理”這門課程,而是將其內(nèi)容合并到“模擬集成電路原理與設(shè)計”這門課程中去。
2.課程開設(shè)順序不合理。專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課和寬口徑專業(yè)課之間存在環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系,前者是后者的基礎(chǔ),后者是前者理論知識的具體應(yīng)用。并且,在各類專業(yè)課的內(nèi)部也存在這樣的關(guān)系。如果在前面的知識沒學(xué)好的基礎(chǔ)上,開設(shè)后面的課程,將直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)不懂,嚴重影響其學(xué)習積極性。例如:在某些高校的培養(yǎng)計劃中,沒有開設(shè)“半導(dǎo)體物理”,直接開設(shè)“晶體管原理”,造成了學(xué)生在學(xué)習“晶體管原理”課程時沒有“半導(dǎo)體物理”課程的基礎(chǔ),很難進入狀態(tài),學(xué)習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學(xué)習MOS晶體管的工作狀態(tài)時,如果沒有半導(dǎo)體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關(guān)。
3.課程內(nèi)容理論性太強,嚴重打擊學(xué)生積極性。“專業(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”這些專業(yè)基礎(chǔ)課程本身理論性就很強,公式推導(dǎo)較多,并且要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而我們有些教師在授課時,過分強調(diào)公式推導(dǎo)以及電路各性能參數(shù)的推導(dǎo),而不是側(cè)重于對結(jié)構(gòu)原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學(xué)生(尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生)學(xué)習起來很吃力,學(xué)習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業(yè)課程體系改革的主要措施
1.“4+3+2”專業(yè)課程體系。形成“4+3+2”專業(yè)課程體系模式:“4”是專業(yè)基礎(chǔ)課“專業(yè)物理”、“半導(dǎo)體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業(yè)方向課“集成電路原理與設(shè)計”、“集成電路工藝”和“集成電路設(shè)計CAD”;“2”是寬口徑專業(yè)課“集成電路應(yīng)用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優(yōu)化和循序漸進的原則,根據(jù)學(xué)習每門專業(yè)課所需掌握的基礎(chǔ)知識,環(huán)環(huán)相扣,合理設(shè)置各專業(yè)課的開課先后順序,形成先專業(yè)基礎(chǔ)課,再專業(yè)方向課,然后寬口徑專業(yè)課程的開設(shè)模式。
我校物理與電子科學(xué)學(xué)院本科生實行信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式,也就是三個本科專業(yè)大學(xué)一年級、二年級統(tǒng)一開設(shè)課程,主要開設(shè)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等課程,重在增強學(xué)生的數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識,為各專業(yè)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課的學(xué)習打下很好的理論基礎(chǔ)。從大學(xué)三年級開始,分專業(yè)開設(shè)專業(yè)課程。為了均衡電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生各學(xué)期的學(xué)習負擔,大學(xué)三年級第一學(xué)期開設(shè)“理論物理導(dǎo)論”和“固體物理與半導(dǎo)體物理”兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程。其中“固體物理與半導(dǎo)體物理”這門課程是將固體物理知識和半導(dǎo)體物理知識結(jié)合在一起,課時量為64學(xué)時,由2位教師承擔教學(xué)任務(wù),其目的是既能讓學(xué)生掌握后續(xù)專業(yè)方向課學(xué)習所需要的基礎(chǔ)知識,又不過分增加學(xué)生的負擔。大學(xué)三年級第二學(xué)期開設(shè)“電子器件基礎(chǔ)”、“集成電路原理與設(shè)計”、“集成電路設(shè)計CAD”和“微電子工藝學(xué)”等專業(yè)課程。由于“電子器件基礎(chǔ)”是其他三門課程學(xué)習的基礎(chǔ),為了保證學(xué)習的延續(xù)性,擬將“電子器件基礎(chǔ)”這門課程的開設(shè)時間定為學(xué)期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學(xué)生在學(xué)習專業(yè)方向課時具有高的學(xué)習效率和大的學(xué)習興趣。另外,“集成電路原理與設(shè)計”課程設(shè)置96學(xué)時,由2位教師承擔教學(xué)任務(wù)。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計”的內(nèi)容,課時量為48學(xué)時,開設(shè)時間為6~17周;再講授“CMOS數(shù)字集成電路原理與設(shè)計”的內(nèi)容,課時量為48學(xué)時,開設(shè)時間為8~19周。大學(xué)四年級第一學(xué)期開設(shè)“集成電路應(yīng)用”和“集成電路封裝與測試技術(shù)”等寬口徑專業(yè)課程,并設(shè)置其為選修課,這樣設(shè)置的目的在于:對于有意向考研的同學(xué),可以減少學(xué)習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學(xué),可以更多了解專業(yè)方面知識,為找到好工作提供有力保障。
2.優(yōu)化專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容。由于我校物理與電子科學(xué)學(xué)院本科生采用信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式,專業(yè)課程要在大學(xué)三年級才能開始開設(shè),時間緊湊。為實現(xiàn)我校集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)目標,培養(yǎng)緊跟集成電路發(fā)展前沿、具有較強實用性和創(chuàng)新性的集成電路設(shè)計人才,需要對集成電路設(shè)計方向?qū)I(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化。其學(xué)習重點應(yīng)該是掌握基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結(jié)于電路各性能參數(shù)的推導(dǎo)。
在“固體物理與半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導(dǎo),側(cè)重于對基本原理及特性的物理意義的學(xué)習,以免削弱學(xué)生的學(xué)習興趣。MOS器件是目前集成電路設(shè)計的基礎(chǔ),因此,在“晶體管原理”中應(yīng)當詳細講授MOS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業(yè)方向課程,教師不但要講授集成電路設(shè)計方面的知識,也要側(cè)重于集成電路設(shè)計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。實驗實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力、實際動手能力、創(chuàng)新能力和社會適應(yīng)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,在專業(yè)方向課程中要增加實驗教學(xué)的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計”課程中,總課時量為48學(xué)時不變,理論課由原來的38學(xué)時減少至36學(xué)時,實驗教學(xué)由原來的10學(xué)時增加至12個學(xué)時。36學(xué)時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關(guān)電路等多種電路結(jié)構(gòu)。12個學(xué)時的實驗教學(xué)中2學(xué)時作為EDA工具學(xué)習,留給學(xué)生10個學(xué)時獨自進行電路設(shè)計。從而保證學(xué)生更好地理解理論課所學(xué)知識,融會貫通,有效地促進教學(xué)效果,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。
三、結(jié)論
集成電路產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展與社會信息化的重要基礎(chǔ),而集成電路設(shè)計人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文根據(jù)調(diào)研結(jié)果,分析目前集成電路設(shè)計本科專業(yè)課程體系存在的主要問題,結(jié)合我校實際情況,對我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路設(shè)計方向的專業(yè)課程體系進行改革,提出“4+3+2”專業(yè)課程體系,并對專業(yè)課程講授內(nèi)容進行優(yōu)化。從而滿足我校集成電路設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的要求,為培養(yǎng)實用創(chuàng)新型集成電路設(shè)計人才提供有力保障。
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電子電路課程是電工專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,也是非電工專業(yè)如計算機、機械等專業(yè)的非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。電子電路課的主要任務(wù)是為學(xué)生學(xué)習專業(yè)知識和從事工程技術(shù)工作打好電子電路技術(shù)的理論基礎(chǔ),并接受基本技能的訓(xùn)練。學(xué)生學(xué)好該課程無論是對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習,還是畢業(yè)以后的工作或者對繼續(xù)深造都起著重要的作用。
1.教師的實踐能力
經(jīng)過幾年的教學(xué)活動和參加產(chǎn)品開發(fā)研制工作,證明理論教學(xué)與實際結(jié)合是至關(guān)重要的。在電子電路課程中,學(xué)生最終應(yīng)達到兩個目標,一是會將實際電路抽象成電路模型,并能分析其原理,當電路出現(xiàn)故障時會修復(fù);二是會分析已經(jīng)繪出的電路模型,達到實現(xiàn)電路設(shè)計的目的。上述教學(xué)目標的實現(xiàn),需具備兩個條件,一是教師的實踐能力,二是實驗設(shè)備與手段?,F(xiàn)任的成人高校教師中,90%是從應(yīng)試教育的模式中培養(yǎng)出來的,他們中的絕大多數(shù)人都是從學(xué)校出來后直接進入教育崗位的。教師本身就沒有實踐經(jīng)驗,所以在教學(xué)中只能有意無意地避開實踐環(huán)節(jié)。但這一現(xiàn)象導(dǎo)致了人才培養(yǎng)的惡性循環(huán)。因此,教師和學(xué)校都應(yīng)從這一誤區(qū)中盡快地走出來。教師是否了解學(xué)科技術(shù)的前沿,能否更多地將當前新工藝——現(xiàn)代新產(chǎn)品設(shè)計流程;新電子元件——目前廣泛使用的新器件,新儀器產(chǎn)品——現(xiàn)代電子儀器的使用介紹等內(nèi)容融入課堂教學(xué)是至關(guān)重要的。
2.學(xué)生的學(xué)習狀況
在課堂教學(xué)中,開始學(xué)生還可以接受一些知識,但隨著教學(xué)的深入,學(xué)生感到了困難,隨之學(xué)習的興趣越來越少,主動學(xué)習便是一句空話,學(xué)習者也就是為了應(yīng)付考試,最終的教學(xué)目的很難達到。
3.實驗課的現(xiàn)狀
由于工科專業(yè)招生困難,大部分學(xué)校把經(jīng)費都投向了計算機房等能馬上收回成本、賺錢的項目上。因此,電工實驗都在吃著老本,用著十幾年前的儀器設(shè)備,跟不上現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及電路設(shè)計的要求,實驗質(zhì)量也因此受到很大的影響。所以,合理地增加實驗經(jīng)費,更新實驗設(shè)備已迫在眉睫。另外,課時的壓縮,導(dǎo)致教師把重點放在知識的傳授上,對于實踐環(huán)節(jié)只用很少的課時,這對提高學(xué)生的動手能力是極為不利的。
二、電子電路教學(xué)方法探討
1.注重基礎(chǔ)知識的教學(xué)同時避免過于片面性
面對學(xué)生編寫教材和教學(xué)時,模擬電子電路課程不易片面強調(diào)以集成電路為主,理由如下:
(1)模擬電子電路是學(xué)生第一次接觸到的一門工程型、技術(shù)型、實用型的課程,它與先修課程“電路分析基礎(chǔ)”和“信號與系統(tǒng)”有很大的差別。后者是講述模型化電路和信號的分析方法,而電路的結(jié)構(gòu)、元件的取值和信號的性質(zhì)的不同并不影響分析方法的學(xué)習。但電子電路卻是具有—定功能的實用電路,學(xué)生在學(xué)習模擬電子電路課程時,由于受習慣思維的影響,碰到的第一個疑點和難點是不理解電子電路課程的工程性特點;而且面對實際的電子電路進行分析和計算時,要引入有源器件參數(shù)的離散性和誤差??紤]到這些基本因素,學(xué)生在學(xué)習電子電路的過程中是否能采用在一定的誤差和容差范圍內(nèi),忽略某些次要因數(shù),而抓住主要矛盾來進行工程估算,使之既不失設(shè)計計算的正確性和可靠性,又能使分析和設(shè)計計算簡單化。這種基本能力的培養(yǎng),顯然應(yīng)該作為模擬電子電路教學(xué)的基本出發(fā)點,而片面強調(diào)以集成電路為主勢必會削弱學(xué)生這種基本能力的培養(yǎng)和建立。
(2)模擬電子電路課的新概念多,所涉及的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本方法對??粕呐囵B(yǎng)起著重要的作用;而且課程的內(nèi)容體系與其他相關(guān)的專業(yè)課程之間保持著緊密的銜接和交融,因此在基本概念的講述上不能壓縮篇幅。另外,概念清楚、基礎(chǔ)理論扎實,也是靈活應(yīng)用集成電路的關(guān)鍵。
(3)集成電路類型品種繁多,而且發(fā)展十分迅速,到底以哪些電路為主?即使花費很大力氣講清楚了幾種,由于基礎(chǔ)不扎實學(xué)生也不可能用好其他類型的集成電路。
(4)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,大量問題不是從電路的基本原理考慮,而是從工藝角度考慮的,從提高性能指標考慮的。若提倡以集成電路為主,很容易出現(xiàn)內(nèi)部電路講的過細的情況,影響了基本理論的學(xué)習。
(5)由于片面提倡以集成電路為主,有許多書籍用大量的篇幅講集成電路的應(yīng)用,例如運放組成的反向比例放大、同相比例放大、加法、減法等電路。其實這些內(nèi)容十分簡單,只要講清楚分析問題的思路和要點即可,完全可以讓同學(xué)自己分析。故集成電路的應(yīng)用不宜延伸太寬。
從以上五個方面來看,片面強調(diào)以集成電路為主的提法容易偏離模擬電子電路課程的方向,不利于加強基本概念和基本理論的學(xué)習,不利于打牢基礎(chǔ)。
2.以實例為基礎(chǔ),講授課程的主要內(nèi)容
為提高學(xué)生的學(xué)習興趣,開始先提出一個實際問題,例如用比較通俗語言講解“電視信號測量儀”的原理方框圖,對“電視信號測量儀”產(chǎn)品的原理方框圖,先提出問題,再解決問題,在解決問題中根據(jù)課程基礎(chǔ)知識銜接問題,確定方框圖中各個方框詳細內(nèi)容解剖的順序,在講解基本原理的基礎(chǔ)上一個一個攻克。在學(xué)生的頭腦中始終有一個主線——解決實際問題,課程的主要內(nèi)容逐步展開,使學(xué)生清楚學(xué)習完某一個單元電路后,它可以解決什么問題,今后如何應(yīng)用。
例如:介紹檢波方框時,先介紹二極管的構(gòu)成、符號和特性,在介紹二極管的各種用途時,重點講解二極管的檢波特性,即如何將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程,同時使學(xué)生對單元電路和整體之間的關(guān)系有深入了解。又如講解中頻放大器方框時,從三極管入手,可將模擬電路的主要內(nèi)容引出;在LCD顯示方框中,可引出數(shù)字電路中許多常用的單元電路部件。
3.以實例為切入點,改進實驗手段,培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力
在教學(xué)中盡量多地通過實例的引用,使課堂教學(xué)內(nèi)容豐富,不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。但增加實驗課時與改進實驗手段仍是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的關(guān)鍵。首先應(yīng)明確實驗課已不是傳統(tǒng)意義上的電路物理量的測量與計算、驗證定理。隨著計算機的迅速發(fā)展,實驗應(yīng)提供給學(xué)生電子自動化設(shè)計工具,如Pspice軟件,該軟件能夠模擬電路的性能,可以把它引入到教學(xué)與實驗中,課堂上以實例中的某一模塊為切入點,用計算機模擬電路性能并進行輸入輸出測量,使學(xué)生對實際電路的性能有較直觀的了解,并借助該軟件分析電路。
4.在實驗教學(xué)和實驗室科學(xué)化管理中加強計算機的應(yīng)用
關(guān)鍵詞:電子信息;專業(yè)課程;模擬電子技術(shù)
1 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),又稱為電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分,與數(shù)字電子技術(shù)一起統(tǒng)稱為電子技術(shù)基礎(chǔ)。是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。該課程的特點包括:重要性,模擬電子技術(shù)是現(xiàn)代化重中之重的技術(shù);非線性,電子放大器是一種非線性元件,需要用非線性分析方法(圖解法、微變等效近似等);工程性,在足夠精確的情況下,為了計算方便,常用近似來化簡;微觀性,深入到原子電子級分析問題;實踐性很強,動手性很強,需要很好的實踐,不實踐學(xué)不好;復(fù)雜性,易受多種因素影響,如溫度,隨機性,光照等等影響,參數(shù)宜變,參數(shù)分散等增加了該課程內(nèi)容的復(fù)雜程度;基礎(chǔ)性,是后續(xù)電子類課程的基礎(chǔ),也是電子信息類專業(yè)考研的課程之一;主干性,是電子信息類本科專業(yè)的主干專業(yè)課程。本課核心是電子放大器,該課程主要就是講放大。
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)各個領(lǐng)域。包括廣播通信:發(fā)射機、接收機、擴音、錄音、程控交換機、電話、手機等;互聯(lián)網(wǎng)絡(luò):路由器、ATM交換機、收發(fā)器、調(diào)制解調(diào)器等;工業(yè)領(lǐng)域:鋼鐵、石油化工、機加工、數(shù)控機床等;交通方面:飛機、火車、輪船、汽車等;軍事領(lǐng)域:雷達、電子導(dǎo)航等;航空航天領(lǐng)域:衛(wèi)星定位、監(jiān)測;醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:γ刀、CT、B超、微創(chuàng)手術(shù)等;消費類電子領(lǐng)域:家電(空調(diào)、冰箱、電視、音響、攝像機、照相機、電子表)、電子玩具、各類報警器、保安系統(tǒng)等。電子技術(shù)的發(fā)展,推動計算機技術(shù)的發(fā)展,使之“無孔不入”,應(yīng)用廣泛。
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習使學(xué)生牢固掌握模擬電子電路系統(tǒng)的分析能力和集成電路的創(chuàng)新設(shè)計能力,掌握模擬電子信號和系統(tǒng)的基本原理及基本分析方法,深入理解模擬電子電路系統(tǒng)的各個組成部分的基本原理,掌握應(yīng)用所學(xué)典型模擬電子系統(tǒng)解決信號分析問題的方法,掌握集成電路的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。為學(xué)生進一步學(xué)習有關(guān)信息、通信方面的課程和今后的科研工作打下良好的理論基礎(chǔ)。
2 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的先修課程
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的先修課程有《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》和《電路分析基礎(chǔ)》,其中最重要的也是銜接最緊密的一門課程就是――《電路分析基礎(chǔ)》。簡單來說可以將電路分析基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)歸為同一類專業(yè)課程,從內(nèi)容上看,《電路分析基礎(chǔ)》主要讓學(xué)生掌握電子電路分析的基本能力,而《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程則是學(xué)習對模擬信號的處理分析,從模擬電子系統(tǒng)的各個組成部分出發(fā),分別學(xué)習各種典型的模擬電子電路,給學(xué)生建立起模擬系統(tǒng)的基本構(gòu)架,為后續(xù)深入學(xué)習信號與系統(tǒng)的分析能力打好基礎(chǔ)。
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程在《電路分析基礎(chǔ)》學(xué)習的基礎(chǔ)上,分別從微觀和宏觀探討模擬電子電路系統(tǒng)的各個方面。微觀深入到電子原子級,討論半導(dǎo)體材料的神奇,進而分析二極管、三極管和場效應(yīng)管在微觀領(lǐng)域,內(nèi)部載流子運動的情況,從而讓學(xué)生深入體會半導(dǎo)體器件的奇妙之處。宏觀上從集成電路出發(fā),理解集成電路的奧妙,小到微觀電子原子級,大到模擬系統(tǒng)及大型集成電路的設(shè)計。學(xué)習模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程之后,學(xué)生有了系統(tǒng)的概念,信號處理的概念,在此基礎(chǔ)上再進行數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習,學(xué)生更能理解和接受,電路分析基礎(chǔ)和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)兩門課雖然內(nèi)容不同,各有側(cè)重點,但很多分析方法、理論公式都環(huán)環(huán)相扣,所以可以進行對比學(xué)習,提高學(xué)習效率。
3 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)置知識要求
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是電子信息專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)主干必修課程,它具有自身的體系,是理論性、實踐性都很強的課程,是學(xué)習很多后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。為今后深入學(xué)習電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用(例如在《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《通信與系統(tǒng)》、《通信原理》、《嵌入式系統(tǒng)理論及實踐》等后續(xù)專業(yè)課程中的應(yīng)用)打好基礎(chǔ),為學(xué)生建立系統(tǒng)分析的概念,培養(yǎng)學(xué)生自主分析問題和解決問題的能力,幫助學(xué)生成功的從中學(xué)階段對電壓電流的具體求解,過渡到本科階段自主進行信號與系統(tǒng)的分析能力的培養(yǎng)。
4 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)置能力要求
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)置能力要求以理論基礎(chǔ)和實踐操作相結(jié)合,既保證嚴謹?shù)睦碚擉w系,又結(jié)合工程實踐的特點。通過模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習,應(yīng)能具備模擬電子電路的系統(tǒng)分析能力、大型集成電路系統(tǒng)的分析計算能力、簡單的集成電路設(shè)計能力,以及電子技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)知識的自學(xué)能力。
5 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程達成目標要求
通過模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習,掌握模擬電子系統(tǒng)的各個部分,包括電子電路系統(tǒng)與信號、半導(dǎo)體二極管及其基本電路、半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)、場效應(yīng)管放大電路及其應(yīng)用、功率放大電路、集成電路的組成原則、集成電路運算放大器、反饋放大電路、信號的運算與處理電路、信號產(chǎn)生電路、直流穩(wěn)壓電源等典型模擬電子電路系統(tǒng)的分析計算能力及基本集成電路系統(tǒng)的設(shè)計能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的自主學(xué)習能力;學(xué)會用所學(xué)的典型模擬電子電路系統(tǒng)自主創(chuàng)新設(shè)計完整的模擬集成電路系統(tǒng),輔助實現(xiàn)模擬電子電路系統(tǒng)的各種基本功能;能借助實際電子電路實驗箱和軟件模擬仿真,實現(xiàn)不同類型模擬電路系統(tǒng)的功能,通過實驗環(huán)節(jié)操作訓(xùn)練具備處理實際工作問題的相關(guān)專業(yè)技能,理論與實踐相結(jié)合,更好的理解模擬電子技術(shù)這門學(xué)科的專業(yè)知識,為后續(xù)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。
6 教學(xué)方法建議
和眾多電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課一樣,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程以理論講授與實踐操作相結(jié)合,理論部分也是以教師講授為主,課程內(nèi)容繁多,有時候為了在有限的學(xué)時內(nèi)完成全部的課程內(nèi)容講授,很多教師會全程進行講授,學(xué)生被動的接受知識,猶如過眼云煙,沒有足夠的消化理解相關(guān)知識點的時間,真正理解領(lǐng)會的知識點非常有限,不懂的內(nèi)容還需要教師花更多的時間來反復(fù)講解,其實這樣的教學(xué)模式,教師辛苦不說,教學(xué)效果還會極差。理論部分的講授應(yīng)該著重抓課前預(yù)習及課后復(fù)習,上課前十分鐘用來對前一次課的內(nèi)容及要求預(yù)習的內(nèi)容做提問,以這種方式督促學(xué)生進行課前預(yù)習和課后復(fù)習,對知識點進行鞏固。
綜上所述,《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》這門課程對電子信息類專業(yè)的本科生非常重要,另外電子信息類本科專業(yè)基礎(chǔ)課程還有很多,不僅僅是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),每門不同的專業(yè)課程都有其特點和用途,學(xué)生只要從宏觀的角度,理解其中的關(guān)聯(lián)性和銜接性,教師也可適當讓學(xué)生了解每門課程設(shè)置的知識要求、課程設(shè)置的能力要求,以及課程的達成目標要求等,只為每一位學(xué)生能學(xué)好每一門專業(yè)課,真正具備電子信息的相關(guān)專業(yè)技能。
參考文獻
[1]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].高等教育出版社.
關(guān)鍵詞: 微電子學(xué)專業(yè)微電子技術(shù)課程教學(xué)改革
在當今的信息時代,微電子學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)深入國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。微電子技術(shù)的發(fā)展需要大量的多種多樣的人才,既需要設(shè)計和制造的人才,又需要科研和教學(xué)的人才,也需要管理和市場開發(fā)等方面的人才。因此,微電子學(xué)專業(yè)與其他專業(yè)一樣要培養(yǎng)高素質(zhì)的專門人才,在業(yè)務(wù)素質(zhì)方面,要培養(yǎng)出既具有扎實的理論基礎(chǔ)又具有很強的技術(shù)意識和技術(shù)能力的人才,培養(yǎng)出具有微電子背景的理工科復(fù)合型專業(yè)人才,以適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)和社會發(fā)展的需求。
一、課程現(xiàn)狀
由于受傳統(tǒng)辦學(xué)模式的影響很深,學(xué)生的學(xué)習能力、適應(yīng)環(huán)境的能力還不強。
1.課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容在一定程度上脫離實際需要。許多課程的內(nèi)容和實施計劃與其他本科專業(yè)有相當?shù)睦淄@對基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)校學(xué)生來說可謂是難上加難,導(dǎo)致掌握的基礎(chǔ)知識不堅實。
2.工程教育的非工程化現(xiàn)象嚴重,學(xué)生能力的培養(yǎng)與當前電子技術(shù)實際需要的技能結(jié)合不緊密;教學(xué)內(nèi)容重復(fù),層次不分明,銜接不科學(xué),注重每門課程理論體系的完整性,但輕視課程之間的橫向聯(lián)系。
3.重視教材的編寫,輕視專業(yè)建設(shè)和課程的開發(fā)。
4.授課方式單一,重視教師的主導(dǎo)作用,輕視學(xué)生學(xué)習的主動性、自主性,實施“以講為主”的教學(xué)方法仍然偏重,不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。
5.實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱,許多學(xué)校對許多課程的教學(xué)實施手段與要求相距甚遠。
二、教學(xué)內(nèi)容的改革
1.微電子學(xué)專業(yè)的學(xué)生必須掌握電子線路的基本概念理論和方法,必須系統(tǒng)地學(xué)習電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等電子線路的基礎(chǔ)知識。但是這些基礎(chǔ)課程與微電子專業(yè)課程的內(nèi)容有許多重復(fù)之處,比如:《電子線路》教材中的內(nèi)容與微電子學(xué)專業(yè)的《集成電路設(shè)計原理》等課程中的內(nèi)容有許多重復(fù)。為了避免重復(fù),需要有合理的開課時間安排,如《電子線路》課程應(yīng)安排在《集成電路設(shè)計原理》之前,這樣有利于合并課程中相互重疊的部分,既節(jié)約課時,又保證學(xué)生的系統(tǒng)學(xué)習。隨著大規(guī)模集成電路和電子計算機的迅速發(fā)展,電子電路分析與設(shè)計方法發(fā)生了重大的變革,以電子計算機輔助分析與設(shè)計為基礎(chǔ)的電子設(shè)計自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子電路、集成電路與系統(tǒng)的設(shè)計之中,它改變了以定量估算和電路實驗為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計方法,成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一,是必不可少的工具與手段。因此,微電子技術(shù)專業(yè)課程內(nèi)容應(yīng)該增加計算機輔助分析與設(shè)計,可以與集成電路課程緊密結(jié)合起來,以適應(yīng)教學(xué)改革的需要。
2.加強計算機的訓(xùn)練與應(yīng)用,EDA設(shè)計技術(shù)是微電子技術(shù)的重要技術(shù)之一,集成電路的整個設(shè)計過程都普遍使用計算機輔助或電子自動化設(shè)計技術(shù)的工具,以計算機為基礎(chǔ),因此培養(yǎng)的學(xué)生必須具有很強的計算機應(yīng)用和電路開發(fā)能力。學(xué)生在本科四年學(xué)習過程中要結(jié)合不同時期的學(xué)習內(nèi)容,不斷地進行計算機訓(xùn)練。不僅在硬件方面,而且在軟件方面,都要進行嚴格的訓(xùn)練。在學(xué)習《計算機基礎(chǔ)》、《B語言》、《微機原理及應(yīng)用》、《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等計算機基礎(chǔ)課程期間,要結(jié)合上機訓(xùn)練和編寫基本的程序,使學(xué)生熟悉計算機的基本原理和基本軟件的使用。同時,要不斷地更新和補充教學(xué)內(nèi)容,把最新的技術(shù)內(nèi)容引入教學(xué)中,對學(xué)生進行培養(yǎng)訓(xùn)練。
三、教學(xué)方法的改革
工程性、系統(tǒng)性和適用性強是該課程的顯著特點。大部分學(xué)生在學(xué)完這門課程后,只是了解了一些專業(yè)術(shù)語,掌握了一些基本原理及方法,但理論知識運用不夠靈活,稍微復(fù)雜的電路圖就看不懂了,也不會分析和調(diào)試電路,更談不上設(shè)計和制作電路。長期以來,學(xué)生對這門課程的學(xué)習普遍感到比較吃力,甚至一些學(xué)生由于在學(xué)習該課程時產(chǎn)生了畏懼感,在以后的學(xué)習中凡是遇到跟模擬電路有關(guān)聯(lián)的課程都不自覺地帶有畏難情緒,從而影響了后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習,許多老師反映難教,教學(xué)效果比較差。所以必須對傳統(tǒng)的教學(xué)手段進行改進。
1.授課。學(xué)生注意力的高低,是評判教學(xué)成功與否的一個重要指標。微電子技術(shù)課程知識點多、內(nèi)容抽象,學(xué)習過程中困難大。傳統(tǒng)的教學(xué)手段以板書和理論分析講授為主。這樣的教學(xué)過程,學(xué)生在學(xué)習時聽起來、看起來枯燥乏味,注意力常常不集中,對于該課程中很多抽象的概念難以理解,講課效率低下。而多媒體課件融圖、文、聲為一體,動靜結(jié)合,把看、聽、說、寫、想結(jié)合在一起,圖文并茂、視聽結(jié)合,富有吸引力,能引起學(xué)生的無意注意,使學(xué)生的注意力穩(wěn)定集中,可以更好地增強聽課效果。教師交替使用幾種授課方法可有效引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中到教學(xué)中來,從而保證教學(xué)質(zhì)量。
2.開展課堂討論。把時間留給學(xué)生,充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習自主性在教學(xué)過程中,專門抽出時間留作課堂討論,以學(xué)生獨立自主學(xué)習為前提,以課外文獻閱讀為討論內(nèi)容,通過科研專題討論的形式,為學(xué)生提供充分自由的表達、質(zhì)疑、探究、討論問題的機會,將自己所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際問題。這樣可調(diào)動學(xué)生的積極性,促使他們自己去獲取知識以及發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題,從而開發(fā)學(xué)生的智力,培養(yǎng)自學(xué)能力及創(chuàng)新能力。
3.實驗和仿真。在集成電路設(shè)計及CAD技術(shù)教學(xué)內(nèi)容中加入實踐環(huán)節(jié),在講授理論知識的基礎(chǔ)上增加VHDL模擬、電路模擬、器件模擬、工藝模擬的實驗教學(xué)內(nèi)容,充分利用學(xué)校的EDA實驗資源,在實驗中利用可視化的技術(shù)使原本抽象、實驗難度大、成本高或無法演示的內(nèi)容形象化、可視化,使復(fù)雜、枯燥的內(nèi)容變得直觀、有趣、容易理解,從而充分調(diào)動學(xué)生的積極性,增強實驗效果,適時進行簡練清晰的解說,給學(xué)生留下深刻的印象,使學(xué)習變得輕松而愉快,提高學(xué)生的學(xué)習興趣,深化理論學(xué)習,為后續(xù)課程的學(xué)習和走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。在集成電路制造工藝講授過程中,盡可能地組織學(xué)生參觀各類先進的半導(dǎo)體制作工藝相關(guān)實驗室,提高學(xué)生對制作工藝的感性認識,培養(yǎng)學(xué)生以后從事微電子行業(yè)的興趣。
隨著計算機硬件的飛速進步和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)成為當前流行的新型教學(xué)手段。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段,由于實驗室購置的設(shè)備和儀器,特別是微電子專業(yè)的實驗設(shè)備價格高昂、操作復(fù)雜、容易損傷,同學(xué)們很難得到上機鍛煉的機會。而使用基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方式,過程簡單靈活,交互方式多樣,結(jié)果直觀明了,既能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和分析、綜合能力,又能提高學(xué)習興趣,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。虛擬仿真技術(shù)在微電子專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是在電路設(shè)計方面,基于電子設(shè)計自動化EDA技術(shù)實現(xiàn)對電子線路(包括集成電路與版圖)的模擬仿真;二是在微電子工藝與器件方面,基于半導(dǎo)體工藝和器件的計算機輔助技術(shù)TCAD實現(xiàn)對微電子制造工藝和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及工作過程的仿真與演示。使用仿真軟件所提供的強大功能,包括軟件所具有的可升級性,在課堂和實驗中通過軟件設(shè)計微電子電路、工藝和器件,在屏幕上模擬其功能,可使教學(xué)概念清晰,內(nèi)容生動,過程可視,還能夠大幅節(jié)省實驗設(shè)備的購置和維護費用,經(jīng)濟高效。
4.課程設(shè)計。課程設(shè)計可以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、實際動手能力,同時能夠培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題、探索創(chuàng)新能力及組織所學(xué)知識的能力,更為重要的是這些設(shè)計能增加學(xué)生學(xué)習的趣味性。教師要組織帶有研制產(chǎn)品意義的綜合性應(yīng)用課題,指導(dǎo)學(xué)生小組做設(shè)計。學(xué)生可以事先對自己的設(shè)計方案進行仿真研究,然后實施,從而節(jié)省設(shè)計時間,節(jié)約體力和精力。課程設(shè)計應(yīng)激發(fā)學(xué)生的科研興趣,活躍學(xué)生的思維,開闊學(xué)生的知識面,促進學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用,培養(yǎng)學(xué)生獨研究的能力,提升實驗教學(xué)的整體質(zhì)量和水平。例如以研制有新技術(shù)指標要求的集成溫度傳感器為課題,讓學(xué)生首先利用計算機做電路綜合、模擬調(diào)整、仿真、版圖設(shè)計與驗證并制備出掩模版,然后投片到芯片測試,根據(jù)測試結(jié)果分析問題,必要時返回進行第二次、第三次設(shè)計和投片。這個階段要增加工藝制備實踐的環(huán)節(jié),注意工藝技術(shù)的培養(yǎng)。當然,要在畢業(yè)設(shè)計的有限時間中成功地研制出一個新的微電子產(chǎn)品是不大可能的,但是,把這種有創(chuàng)新意義的課題讓學(xué)生去實踐,對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力會起很大的作用。
四、結(jié)語
目前,我國人才供求結(jié)構(gòu)中存在著嚴重的“所供非所求,所教非所需”的不對稱現(xiàn)象:一方面,我國對集成電路設(shè)計師的需求達幾十萬,人才缺口很大,另一方面,我國每年卻有大批的大學(xué)生畢業(yè)后找不到工作,造成巨大的就業(yè)壓力。要解決這一問題,高校教育要針對我國集成電路制造和設(shè)計人才缺乏的現(xiàn)狀探索新型的高水平、復(fù)合型的集成電路人才培養(yǎng)模式,面向市場,及時了解微電子產(chǎn)業(yè)的人才需求情況,根據(jù)市場需要,及時調(diào)整教學(xué)體系,確定人才培養(yǎng)方向,探索新的教學(xué)模式,有效提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)適合時展需要的人才。
參考文獻:
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“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)效果直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量,因此,優(yōu)秀的教學(xué)方法和教學(xué)質(zhì)量是教學(xué)過程中必須重視的。筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)經(jīng)歷,總結(jié)經(jīng)驗,開拓創(chuàng)新,形成了一套特有的教學(xué)方法,旨在培養(yǎng)出基礎(chǔ)牢、思路清、知識廣、能力強的電子設(shè)計自動化人才。
一、“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)的特點
電子設(shè)計自動化是一個較為寬泛的概念,它涵蓋了電路設(shè)計、電路測試與驗證、版圖設(shè)計、PCB板開發(fā)等各個不同的應(yīng)用范圍。而當前“電子設(shè)計自動化”課程設(shè)置多數(shù)側(cè)重電路設(shè)計部分,即采用硬件描述語言設(shè)計數(shù)字電路。因此,該課程的教學(xué)具非常突出的特點。
1.既要有廣度,又要有深度
有廣度即在教學(xué)過程中需要把電子設(shè)計自動化所包含的各個不同的應(yīng)用環(huán)節(jié)都要讓學(xué)生了解,從而使學(xué)生從整個產(chǎn)業(yè)鏈的角度出發(fā),把握電子設(shè)計自動化的真正含義,以便于他們建立起一個全局概念。有深度即在教學(xué)過程中緊抓電路設(shè)計這個重點,著重講解如何使用硬件描述語言設(shè)計硬件電路,使學(xué)生具備電路設(shè)計的具體技能,并能夠應(yīng)用于實踐和工作當中。
2.突出硬件電路設(shè)計的概念
在眾多高校開設(shè)的“電子設(shè)計自動化”課程中,多數(shù)是以硬件描述語言VHDL作為學(xué)習重點的。而VHDL語言是一門比較特殊的語言,與C語言、匯編語言等存在很大的不同。因此,在教學(xué)過程中首先要讓學(xué)生明白這門語言與前期所學(xué)的其他語言的區(qū)別,并通過實例,如CPU的設(shè)計及制造過程,讓學(xué)生明白VHDL等硬件描述語言的真正用途,并將硬件電路設(shè)計的概念貫穿整個教學(xué)過程。
3.理論與實踐并重
“電子設(shè)計自動化”是一門理論性與實踐性都很強的課程,必須兩者并重,才能收到良好的教學(xué)效果。在理論學(xué)習中要突顯語法要點和電路設(shè)計思想,[2]并通過實踐將這些語法與設(shè)計思想得以加強和鞏固,同時在實踐中鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。
二、“電子設(shè)計自動化”課程教學(xué)方法總結(jié)
良好的教學(xué)方法能起到事半功倍的效果。因此,針對“電子設(shè)計自動化”課程的教學(xué)特點,筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)了一些行之有效的教學(xué)方法。
1.以生動的形式帶領(lǐng)學(xué)生進入電子設(shè)計自動化的世界
電子設(shè)計自動化對學(xué)生來說是一個全新的概念。如何讓他們能夠快速地進入到這個世界中,并了解這個世界的大概,從而對這個領(lǐng)域產(chǎn)生興趣,是每個老師在這門課授課之前必須要做的一件事情。教師可以采用一些現(xiàn)代化的多媒體授課技術(shù),讓學(xué)生更直觀地了解電子設(shè)計自動化。由于電子設(shè)計自動化是一個很抽象的概念,因此,可以通過播放視頻、圖片等一些比較直觀的內(nèi)容來讓學(xué)生了解這個領(lǐng)域。從學(xué)生最熟悉的電腦CPU引入,通過一段“CPU從設(shè)計到制造過程”的視頻,讓學(xué)生了解集成電路設(shè)計與制造的流程與方法,并引出集成電路這個概念。通過早期的集成電路與現(xiàn)在的集成電路的圖片對比,引出EDA的概念,并詳細講解EDA對于集成電路行業(yè)的發(fā)展所作的巨大貢獻。在教學(xué)過程中,通過向?qū)W生介紹一些使用EDA技術(shù)實現(xiàn)的當前比較主流的產(chǎn)品及其應(yīng)用,提高學(xué)生對EDA的具體認識。這些方法不僅使學(xué)生對EDA相關(guān)的產(chǎn)業(yè)有了相應(yīng)的了解,更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣,使學(xué)生能夠踴躍地投入到“電子設(shè)計自動化”的學(xué)習中。
2.以實例展開理論教學(xué)
“電子設(shè)計自動化”的學(xué)習內(nèi)容包含三大部分:[3]硬件描述語言(以VHDL語言為學(xué)習對象)、開發(fā)軟件(以QUARTUSII為學(xué)習對象)和實驗用開發(fā)板(以FPGA開發(fā)板為學(xué)習對象)。硬件描述語言的學(xué)習屬于理論學(xué)習部分,是重中之重。對于一門編程語言的學(xué)習來說,語法和編程思想是學(xué)習要點。在傳統(tǒng)的編程語言學(xué)習的過程中,通常都是將語法作為主線,結(jié)合語法實例逐漸形成編程思想。這種學(xué)習方法會使學(xué)生陷入到學(xué)編程語言就是學(xué)習語法的誤區(qū)中,不僅不能學(xué)到精髓,還會因為枯燥乏味而產(chǎn)生厭倦感。如何能使學(xué)生既能掌握電路設(shè)計的方法,又輕松掌握語法規(guī)則是一個教學(xué)難題。筆者改變傳統(tǒng)觀念,將編程思想的學(xué)習作為教學(xué)主線,在理論學(xué)習過程中,以具體電路實例為基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生從分析電路的功能入手,熟悉將電路功能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的程序語句的過程,并掌握如何將這些語句按照規(guī)則組織成一個完整無誤的程序。在此過程中,不斷引入新的語法規(guī)則。由于整個過程中學(xué)生的思考重點都放在電路功能的實現(xiàn)上,而語法的學(xué)習就顯得不那么突兀,也不會產(chǎn)生厭倦感。由于語法時刻都需要用到且容易忘記,因此在后期的實例講解過程中需要不斷地鞏固之前所學(xué)過的語法現(xiàn)象,以避免學(xué)生遺忘,以此讓學(xué)生明白,學(xué)習編程語言的真正目的是為了應(yīng)用于電路設(shè)計。通過一些實踐,學(xué)生體會到語言學(xué)習的成就感,進一步提高了學(xué)習興趣,此方法收到了良好的教學(xué)效果。
3.將硬件電路設(shè)計的概念貫穿始終
硬件描述語言與軟件語言有本質(zhì)區(qū)別。很多學(xué)生由于不了解硬件描述語言的特點,在學(xué)習過程中很容易將之前所學(xué)的C語言等軟件編程語言的思維慣性的應(yīng)用于VHDL語言的學(xué)習過程中,這對于掌握硬件電路設(shè)計的實質(zhì)有非常大的阻礙。因此,在教學(xué)過程中,從最初引入到最后設(shè)計電路,都要始終將硬件電路設(shè)計的概念和思維方式貫穿其中。在講述應(yīng)用實例時,需要向?qū)W生分析該例中的語句和硬件電路的關(guān)系,并強調(diào)這些語句與軟件語言的區(qū)別。以if語句為例,在VHDL語言中,if語句的不同應(yīng)用可以產(chǎn)生不同的電路結(jié)構(gòu)。完整的if語句產(chǎn)生純組合電路,不完整的if語句將產(chǎn)生時序電路,如果應(yīng)用不當,會在電路中引入不必要的存儲單元,增加電路模塊,耗費資源。[4]而對于軟件語言,并沒有完整if語句與不完整if語句之分。為了讓學(xué)生更深刻地理解不同的if語句對應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)特性,可以通過一個小實例綜合之后的電路結(jié)構(gòu)圖來說明。
如以下兩個程序:(1)entitymuxabisport(a,b:inbit;y:outbit);end;architecturebehaveofmuxabisbeginprocess(a,b)beginifa>btheny<='1';elsifa<btheny<='0';endif;endprocess;end;(2)entitymuxabisport(a,b:inbit;y:outbit);end;architecturebehaveofmuxabisbeginprocess(a,b)beginifa>btheny<='1';elsey<='0';endif;endprocess;end;(1)(2)兩個程序唯一的不同點在于:程序(1)中使用的是elsif語句,是一個不完整的if語句描述,而程序(2)使用的是else語句,是一個完整的if語句描述。這一條語句的區(qū)別卻決定了兩個程序的電路結(jié)構(gòu)有很大的不同。(1)綜合的結(jié)果是一個時序電路,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如圖1所示。而(2)綜合的結(jié)果是一個純組合電路,電路結(jié)構(gòu)非常簡單,如圖2所示。通過綜合后的電路圖比較,學(xué)生更深刻理解這兩類語句的區(qū)別。強化硬件電路設(shè)計的思想,可以促使學(xué)生逐漸形成一種規(guī)范、高效、資源節(jié)約的設(shè)計風格,培養(yǎng)一個優(yōu)秀的硬件電路設(shè)計工程師。
4.通過實踐拓展強化學(xué)生動手能力
“電子設(shè)計自動化”是一門實用性很強的課程,學(xué)生在學(xué)完該課程后必須具備一定的硬件電路設(shè)計和調(diào)試的能力,因此在教學(xué)中需要不斷地用實踐訓(xùn)練來強化學(xué)生在課堂所學(xué)習的理論知識,并使他們達到能夠獨立設(shè)計較復(fù)雜硬件電路的能力。筆者在教學(xué)過程中鼓勵學(xué)生將課程實踐和畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容相結(jié)合的方法,讓學(xué)生強化實踐能力,收到了良好的效果。學(xué)習“電子設(shè)計自動化”課程的學(xué)生基本上都是即將進入大四,此時他們的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)開始進入選題,開始了初步設(shè)計的過程。筆者先在實驗課堂向?qū)W生布置一些常用硬件電路設(shè)計的題目,比如交通燈、自動售貨機、電梯控制器等,讓學(xué)生體會電子設(shè)計自動化課程的實用性,激發(fā)他們的思考和學(xué)習興趣。在此基礎(chǔ)上分組組建實踐小團隊,讓每組學(xué)生共同完成一個較復(fù)雜的電路系統(tǒng),比如遙控小車、溫度測控系統(tǒng)等,鼓勵他們將所做的內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計對接。其中大部分同學(xué)通過這些訓(xùn)練都可以掌握硬件電路設(shè)計的基本方法和流程,有一部分同學(xué)還能設(shè)計出比較出色的作品。此過程不僅讓學(xué)生體會到了學(xué)習知識的快樂,也培養(yǎng)了他們的團隊協(xié)作精神,為他們以后的繼續(xù)深造和工作做了鋪墊。
[關(guān)鍵詞]工藝原理 器件模擬與仿真 微電子技術(shù)
[中圖分類號] G420 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2015)11-0112-03
0引言
西安郵電大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)源于原計算機系的微電子學(xué)專業(yè),2005年開始招收第一屆本科生,專業(yè)方向設(shè)置偏向于集成電路設(shè)計。2013年,根據(jù)教育部《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄(2012年)》的專業(yè)設(shè)置,將微電子學(xué)專業(yè)更名為微電子科學(xué)與工程專業(yè)。2009年至今,該專業(yè)累計培養(yǎng)本科畢業(yè)生6屆。根據(jù)歷年應(yīng)屆畢業(yè)生就業(yè)情況和研究生報考方向,我們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體工藝方向人數(shù)比重呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。另外,隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,中西部地區(qū)半導(dǎo)體行業(yè)的投資力度也越來越大,例如韓國三星電子有限公司、西安愛立信分公司等落戶西安,半導(dǎo)體人才需求日益增加。
根據(jù)2014年,微電子科學(xué)與工程專業(yè)新一輪培養(yǎng)方案的定位,設(shè)置出半導(dǎo)體工藝、集成電路設(shè)計兩大課程體系,可實現(xiàn)半導(dǎo)體工藝、集成電路設(shè)計和集成電路應(yīng)用人才的個性化培養(yǎng)。半導(dǎo)體工藝課程體系除設(shè)置固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)、半導(dǎo)體器件物理等專業(yè)基礎(chǔ)課程外,還包含集成電路工藝原理、器件模擬與仿真、集成電路制造與測試和半導(dǎo)體工藝實習等專業(yè)課程。本課程體系是微電子技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的核心,旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握集成電路制造的工藝原理、工藝流程以及實踐操作的能力,同時也是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵。
因此,整合集成電路工藝原理與實踐課程體系的教學(xué)內(nèi)容,充分利用微電子技術(shù)實驗教學(xué)中心現(xiàn)有的硬件環(huán)境和優(yōu)勢資源,加強軟件設(shè)施,例如實踐教學(xué)具體組織實施方案及考核機制的建設(shè),構(gòu)建內(nèi)容健全、結(jié)構(gòu)合理的集成電路工藝原理與實踐課程體系,對微電子科學(xué)與工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的人才,尤其是半導(dǎo)體工藝人才培養(yǎng)的落實和發(fā)展具有重要意義。
一、面臨的主要問題和解決措施
(一)教學(xué)面臨的主要問題
課程體系是高等學(xué)校人才培養(yǎng)的主要載體,是教育思想和教育觀念付諸實踐的橋梁。集成電路工藝原理與實踐課程體系注重理論教學(xué)與實踐教學(xué)的緊密結(jié)合,不僅讓學(xué)生充分了解、掌握集成電路制造的基本原理和工藝技術(shù),而且逐步加強學(xué)生半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)實踐能力的培養(yǎng)。然而,該課程體系相關(guān)實踐環(huán)境建設(shè)與運行維護耗費巨大,致使大多數(shù)高等院校在該課程體系的教學(xué)上僅局限于課堂教學(xué),無法做到理論與實踐相結(jié)合。
為解決這一問題,學(xué)校經(jīng)過多方調(diào)研考察、洽談協(xié)商,與北京微電子技術(shù)研究所進行校企合作,建立了半導(dǎo)體工藝聯(lián)合實驗室。通過中省共建項目和其他項目對半導(dǎo)體工藝聯(lián)合實驗室進一步建設(shè)、完善,為微電子科學(xué)與工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)本科生提供了良好的工藝實踐平臺。然而,在實際教學(xué)過程中,專業(yè)課程內(nèi)容不能模塊化、系統(tǒng)化,理論教學(xué)與實踐教學(xué)嚴重脫鉤,工程型師資人員匱乏,教學(xué)效果不理想。因此,對集成電路工藝原理與實踐課程體系進行深化改革與探索,可謂任重而道遠。
(二)主要的解決措施
1.課程體系整合優(yōu)化
集成電路工藝原理與實踐課程體系服務(wù)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的需要。本課程體系以集成電路工藝原理、器件模擬與仿真和工藝實踐為主線,將集成電路工藝原理、半導(dǎo)體器件模擬與仿真、集成電路封裝與測試、新型材料器件課程設(shè)計和半導(dǎo)體工藝實習等課程內(nèi)容進行整合,明確每門課程、知識的相互關(guān)系、地位和作用,找到課程內(nèi)容的銜接點,讓每一門課程都發(fā)揮承上啟下的作用,保證半導(dǎo)體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和基本質(zhì)量要求。在此基礎(chǔ)上,設(shè)置半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體功率器件、納米電子材料與器件等專業(yè)選修課,培養(yǎng)學(xué)生的興趣、愛好和特長,以滿足個性化培養(yǎng)需要。
為解決微電子科學(xué)與工程專業(yè)本科生實踐形式單一、綜合程度不高導(dǎo)致解決實際問題的應(yīng)用能力不足等現(xiàn)象,集成電路工藝原理與實踐課程體系在力求理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機融合的基礎(chǔ)上,設(shè)置微電子學(xué)基礎(chǔ)實驗、半導(dǎo)體器件模擬仿真、半導(dǎo)體工藝實習以及新型材料器件課程設(shè)計等實踐課程,形成由簡單到綜合、由綜合到創(chuàng)新的遞階實踐教學(xué)層次。通過獨立設(shè)課實驗、課程設(shè)計、科研訓(xùn)練、生產(chǎn)實習、社會實踐、科技活動和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)達到預(yù)期的效果。同時,注重課程形式的綜合化、科研化,提高綜合性、設(shè)計性實驗比例,使實踐課程與理論課程并行推進,貫穿整個人才培養(yǎng)過程。
2.考核體系的完善
考核體系總體上包括理論課程考核體系和實踐課程考核體系。目前,理論考核體系已基本成熟。然而,長期以來,我國教育領(lǐng)域由于實踐教學(xué)成本高、經(jīng)費得不到保障,所以考核主體對實踐環(huán)節(jié)考核的積極性不高、重視程度不夠,導(dǎo)致考核制度不完善。集成電路工藝原理與實踐課程體系在不斷完善理論教學(xué)考核體系的同時,尤其注重實踐教學(xué)體系的改革。將教學(xué)實驗項目的實驗過程、工藝參數(shù)和器件性能等列為考核的過程。兼顧定性與定量相結(jié)合、過程與結(jié)果相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、考核與考評相結(jié)合的原則,不斷完善實踐教學(xué)的考核體系,形成以學(xué)生為中心的適應(yīng)學(xué)生能力培養(yǎng)和鼓勵探索的多元實踐教學(xué)考核體系。該體系能全面、準確地反映學(xué)生的應(yīng)用能力和實際技能,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習動力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神,促進人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的提高。
3.教學(xué)團隊構(gòu)建
根據(jù)集成電路工藝原理與實踐課程體系對高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要,本教學(xué)團隊秉承“以老帶新”的傳統(tǒng),為青年教師配備老教授或資深教授作為指導(dǎo)教師。在日常教學(xué)過程中,由老教師對年輕教師進行業(yè)務(wù)指導(dǎo),負責教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控與授課經(jīng)驗的傳授。在老教師的“傳、幫、帶”和示范表率作用下,青年教師間互相聽課、交流教學(xué)心得,定期組織教學(xué)競賽,體現(xiàn)以人為本,強調(diào)德才兼?zhèn)?,營造青年教師良好的教與學(xué)氛圍。同時,課程體系團隊積極為任課教師創(chuàng)造條件,加大隊伍培養(yǎng)建設(shè),鼓勵教師走出去,了解企業(yè)的運作模式,提高自身的業(yè)務(wù)能力。目前,已有多位教師到企業(yè)參觀交流、參加各種業(yè)務(wù)能力培訓(xùn),取得了多種職業(yè)資格認證,教師的業(yè)務(wù)能力和水平得到大幅提升。
西安郵電大學(xué)經(jīng)過多年建設(shè)和培養(yǎng),形成了一支結(jié)構(gòu)合理、師資雄厚的教學(xué)團隊,具有高學(xué)歷化、年輕化和工程化的特點。本課程體系現(xiàn)擁有任課教師15名,其中具有博士學(xué)位的教師7名,副高以上職稱的教師8名,40歲以下的教師占課程組教師總數(shù)的60%,具有工程實踐經(jīng)驗的教師占課程組教師總數(shù)的40%。
4.實驗環(huán)境的優(yōu)化
實驗環(huán)境是實踐教學(xué)和科學(xué)研究的關(guān)鍵性場所。根據(jù)微電子科學(xué)與工程專業(yè)半導(dǎo)體工藝、集成電路兩大課程體系對人才培養(yǎng)的需要,微電子技術(shù)實驗教學(xué)中心下設(shè)微電子學(xué)實驗教學(xué)部和集成電路實驗教學(xué)部,共計占地約1300平方米。微電子學(xué)實驗教學(xué)部下設(shè)微電子學(xué)基礎(chǔ)實驗室、半導(dǎo)體工藝仿真實驗室、半導(dǎo)體工藝實驗室、微 / 納材料器件實驗室、材料器件分析實驗室。微電子學(xué)基礎(chǔ)實驗室,擁有霍爾效應(yīng)、高頻晶體管測試儀、四探針測試儀等常規(guī)設(shè)備,可實現(xiàn)微電子學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)實驗。半導(dǎo)體工藝仿真實驗室,配置Silvaco、ISE和EDA等專業(yè)仿真軟件,可實現(xiàn)半導(dǎo)體器件工藝參數(shù)和性能的仿真。半導(dǎo)體工藝實驗室擁有雙管氧化擴散爐、光刻機、LP-CVD、離子束刻蝕機、磁控濺射臺、高溫快速退火和激光劃片等設(shè)備,可實現(xiàn)半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。微 / 納材料器件實驗室設(shè)計專業(yè),配備排風、有害氣體報警系統(tǒng),擁有氣氛熱處理程控高溫爐、納米球磨機、高壓反應(yīng)釜等設(shè)備,可實現(xiàn)多種納米材料器件的制備。材料器件分析實驗室,擁有吉時利4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)、太陽能模擬器和化學(xué)工作站等設(shè)備,可完成新型材料器件的測試分析。
通過實踐教學(xué)資源配置、環(huán)境優(yōu)化,實現(xiàn)了實驗教學(xué)中心的整體規(guī)劃和布局;針對大型貴重精密設(shè)備配備專業(yè)操作人員,進行定期的維護和保養(yǎng);制定大型設(shè)備的操作流程和規(guī)范,保證實踐教學(xué)的順利實施。實驗平臺的建設(shè),將為相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生和教師在實踐教學(xué)、科研方面搭建一個良好的學(xué)術(shù)平臺。
二、改革的特色和預(yù)期成果
(一)改革的特色
1.校內(nèi)實驗平臺的優(yōu)化
集成電路工藝原理與實踐課程體系的構(gòu)建,使專業(yè)培養(yǎng)方向定位更加明確、教學(xué)內(nèi)容更加明了。尤其是在教學(xué)形式上,從教學(xué)內(nèi)容整合、考核體系制定、教學(xué)團隊形成和實驗環(huán)境優(yōu)化等進行了多方位、多角度的改革探索。圍繞集成電路工藝原理、半導(dǎo)體器件模擬與仿真和半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)實踐教學(xué)內(nèi)容為主線,保證半導(dǎo)體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和基本質(zhì)量要求;利用選修課實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)個性化培養(yǎng)。通過合理設(shè)置理論課程與實踐課程比例、課內(nèi)課程與課外課程比例,可有效地控制教學(xué)內(nèi)容的穩(wěn)定性、機動性,推進課程內(nèi)容的重組與融合。同時,引領(lǐng)學(xué)生獨立思考、主動探索,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高學(xué)生解決實際問題的能力。
2.校企合作實驗平臺的構(gòu)建
在校內(nèi)實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上,微電子技術(shù)實驗教學(xué)中心先后與西安芯派電子科技有限公司、西安西谷微電子有限責任公司等微電子器件及測試公司建立了良好的交流合作關(guān)系。這些關(guān)系的建立,可使微電子科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生在校外公司,例如在西安芯派電子科技有限公司進行半導(dǎo)體器件再流焊工藝的實習。校內(nèi)外互補的工藝實踐體系構(gòu)件,使學(xué)生不僅掌握集成電路工藝實踐基本知識和原理,更能夠掌握實際行業(yè)內(nèi)集成電路工藝中需要考慮的系列問題,從而培養(yǎng)了工程的思維方式。
(二)改革的預(yù)期成果
1.達到理論與實踐教學(xué)的有機融合
理論學(xué)習是知識傳遞過程,實踐則是知識吸收過程。實踐環(huán)節(jié)教學(xué)能鞏固、加深學(xué)生對課堂上所學(xué)知識的理解,培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能。集成電路工藝原理與實踐課程體系,將課程體系教學(xué)內(nèi)容按層次分為半導(dǎo)體工藝原理、器件模擬與仿真和半導(dǎo)體工藝實踐三個主要部分。通過半導(dǎo)體工藝原理的學(xué)習,掌握材料器件的基本參數(shù)、性能和制備方法;通過器件模擬與仿真,了解各種制備方法、工藝參數(shù)和器件性能之間的關(guān)系;通過半導(dǎo)體工藝實踐,充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性、主動性和創(chuàng)造性,從而有效地加深對理論知識的理解,鍛煉實際動手能力。通過理論和實踐的有機融合,可有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。
2.實現(xiàn)教學(xué)的開放性
集成電路工藝原理與實踐課程體系,在理論教學(xué)方面,打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的局限性,充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng),開展互動學(xué)習的教學(xué)模式。將傳統(tǒng)教學(xué)活動如批改作業(yè)、討論答疑和查閱資料等傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)上;開發(fā)試題庫,建設(shè)合理的測試系統(tǒng)。在實踐教學(xué)方面,將部分實踐教學(xué)環(huán)節(jié)以錄像的形式上傳到網(wǎng)站上供學(xué)生學(xué)習、參考,部分實驗室實行全天候的開放,學(xué)生自主學(xué)習、管理。通過興趣小組、創(chuàng)新項目和開放性實驗等多種方式,形成團隊教師定期指導(dǎo)、高年級學(xué)生指導(dǎo)低年級學(xué)生的滾動機制,激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習能力、創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的學(xué)習興趣和實踐動手能力,為我校培養(yǎng)微電子技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。
三、結(jié)語
根據(jù)西安郵電大學(xué)2014年微電子科學(xué)與工程專業(yè)新一輪培養(yǎng)方案的定位及社會發(fā)展對半導(dǎo)體人才培養(yǎng)的客觀要求,本文提出集成電路工藝原理與實踐課程體系改革。本課程體系以半導(dǎo)體工藝原理、器件模擬與仿真和半導(dǎo)體工藝實踐為主線,對教學(xué)內(nèi)容進行整合、修訂和完善,保證半導(dǎo)體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和質(zhì)量要求。根據(jù)現(xiàn)有實驗環(huán)境、實驗設(shè)備和優(yōu)勢資源,進行資源優(yōu)化配置,完成微電子技術(shù)實驗教學(xué)中心的整體規(guī)劃布局。通過師資隊伍的建設(shè)、切實可行的實踐教學(xué)管理制度的制定,明確任課教師的職責,出臺實踐教學(xué)質(zhì)量考核標準,加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的時效性。通過上述諸要素的相互協(xié)調(diào)、配合,實現(xiàn)集成電路工藝原理與實踐課程體系“非加和性”的整體效應(yīng),促進微電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的提高。
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