高校集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)思考

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0引言

高校專(zhuān)業(yè)及課程的設(shè)置應(yīng)該與社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)，才能更好地發(fā)揮學(xué)校的功能，源源不斷地為相關(guān)產(chǎn)業(yè)輸送所需的人才，推動(dòng)社會(huì)快速地發(fā)展?！秶?guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》明確指出：“集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前和今后一段時(shí)期是我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅(jiān)期?！币虼?，高校有必要加大集成電路相關(guān)專(zhuān)業(yè)及課程的改革力度，以滿(mǎn)足國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

1集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的重要性

雖然改革開(kāi)放以來(lái)，我們國(guó)家在幾乎各個(gè)領(lǐng)域都取得了舉世矚目的成就，甚至很多高技術(shù)電子產(chǎn)品也都可以自主研發(fā)。但是事實(shí)上，由于我們自己不能自主設(shè)計(jì)制造作為核心技術(shù)的集成電路，必須從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)，所以一方面給我們的國(guó)防、關(guān)鍵基礎(chǔ)行業(yè)等增加了不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也使我們相關(guān)產(chǎn)業(yè)的公司利潤(rùn)極低，極大地制約了其發(fā)展?？陀^地講，我國(guó)在集成電路技術(shù)研究方面的起步不算太晚，但是由于各種原因，前期進(jìn)展緩慢，相反歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家卻抓住契機(jī)飛速發(fā)展，因此導(dǎo)致我們與這些發(fā)達(dá)國(guó)家的差距越來(lái)越大。1999年從德國(guó)學(xué)成歸來(lái)的王志功教授起草了《關(guān)于國(guó)家設(shè)立集成電路設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)專(zhuān)項(xiàng)基金，開(kāi)展中國(guó)芯片工程的建議》，呈送給中央相關(guān)部委，得到了李嵐清副總理等中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，進(jìn)而制定了正確的發(fā)展戰(zhàn)略，從而使我國(guó)在集成電路領(lǐng)域掀起一輪研究熱潮。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展、積累，我國(guó)集成電路相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善，且培養(yǎng)了大批具有相關(guān)知識(shí)背景的高素質(zhì)人才。隨后，國(guó)家也在政策資金等方面，不失時(shí)機(jī)地給以引導(dǎo)培育?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》《、電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《、集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中強(qiáng)調(diào)了要大力發(fā)展集成電路。尤其，在2014年6月工業(yè)和信息化部公布了《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，并隨后設(shè)立了“國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”。高校肩負(fù)著為社會(huì)輸送所需的高素質(zhì)人才的使命，因此為了配合國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大戰(zhàn)略，高校應(yīng)該及時(shí)了解集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才素質(zhì)的需求變化，不斷審查、完善、革新集成電路相關(guān)的課程及教學(xué)。

2集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程配置的協(xié)調(diào)性

無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)模式稱(chēng)為大陸集成電路產(chǎn)業(yè)的基本模式，更具體地講，當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)主要分為設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，相應(yīng)地，高校就應(yīng)該設(shè)立相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)方向及課程，使學(xué)生能夠掌握相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)技能，以便于畢業(yè)后能夠勝任相關(guān)領(lǐng)域的工作。然而，作為一個(gè)大學(xué)生來(lái)講，由于大學(xué)期間課程學(xué)時(shí)有限，不可能僅僅通過(guò)課堂的學(xué)習(xí)掌握所有知識(shí)，所以應(yīng)該有針對(duì)性地、系統(tǒng)地協(xié)調(diào)相關(guān)課程的學(xué)期安排及課程類(lèi)型安排，一方面要保證每一方向課程體系的完整連貫性，另一方面又能給學(xué)生以足夠的自由選修其它的相關(guān)方向的課程。比如，大一可以安排認(rèn)知實(shí)習(xí)或相關(guān)課程，通過(guò)深入淺出的講解，可以讓學(xué)生對(duì)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈及技術(shù)鏈有一個(gè)宏觀的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，也利于學(xué)生有目的性地選擇感興趣的、想深入學(xué)習(xí)研究的專(zhuān)業(yè)方向及其所需的相應(yīng)課程；大二、大三則應(yīng)該安排一些專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)選修課，一方面要考慮到覆蓋面、保證每個(gè)方向的課程完整性，另一方面要確保課程安排的順序正確，課程類(lèi)型合適；大四可以安排方向性更強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)限選課及畢業(yè)設(shè)計(jì)。集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試又是密不可分的，王志功教授認(rèn)為一個(gè)合格的集成電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備系統(tǒng)、電路、器件、工藝及工具幾個(gè)方面的知識(shí)。下面我們主要從具有代表性的集成電路設(shè)計(jì)角度來(lái)討論。具體到特定高校，特別是集成電路相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)時(shí)間不長(zhǎng)的高校，由于學(xué)科及課程設(shè)置的歷史原因以及集成電路相關(guān)師資力量、實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)需要時(shí)間周期較長(zhǎng)，所以不可能一蹴而就地開(kāi)設(shè)所有相關(guān)的課程。通常，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)比較強(qiáng)的院系課程會(huì)偏重系統(tǒng)、電路以及工具等，而傳統(tǒng)微電子專(zhuān)業(yè)比較強(qiáng)的院系則課程會(huì)更偏重工藝、器件、電路及工具等?？偠灾?，電路及其設(shè)計(jì)工具是集成電路設(shè)計(jì)的核心知識(shí)，因此我們也將以其為核心來(lái)討論，兼顧一下其它相關(guān)的課程。

3集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)的實(shí)施建議

從目前大學(xué)本科教育來(lái)看，集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的課程大體可以分為三類(lèi)：模擬集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件的開(kāi)發(fā)。至于射頻/微波集成電路設(shè)計(jì)、光纖/超高速集成電路設(shè)計(jì)以及功率集成電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程及工具基本類(lèi)同于模擬集成電路設(shè)計(jì)，但需要更專(zhuān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，比較適合作為大四的專(zhuān)業(yè)限選課，甚至研究生的專(zhuān)業(yè)課程。圖1給出了集成電路相關(guān)課程的簡(jiǎn)略關(guān)系。ARM/DSP/單片機(jī)等嵌入式設(shè)計(jì)雖然傳統(tǒng)上不被包括進(jìn)集成電路設(shè)計(jì)的范疇，但是兩者存在很大相關(guān)性，且目前很多CPLD/FPGA器件中也包含各種類(lèi)型可配置的處理器核，因此在也把嵌入式開(kāi)發(fā)加了進(jìn)去。需要說(shuō)明的是，圖1所示的課程名在不同學(xué)校的可能有不同的叫法，其實(shí)即使名稱(chēng)相同的課程所講授的內(nèi)容也可能不盡相同，甚至大相徑庭。模擬集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程在各高校應(yīng)該差異不大，一般都是先開(kāi)設(shè)了模擬電路設(shè)計(jì)，然后再開(kāi)模擬集成電路設(shè)計(jì)，當(dāng)然通常都是CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)。關(guān)于數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，雖然可能各高校的課程名甚至教材名稱(chēng)也很相近，但課程或教材講授的內(nèi)容卻可能差別很大，有些偏重于底層電路邏輯，有些偏重于上層硬件描述語(yǔ)言，還有些可能偏重于EDA工具的使用。如果從產(chǎn)業(yè)對(duì)數(shù)字集成電路人才需求的角度來(lái)看，由于數(shù)字集成電路自動(dòng)化程度很高，除了標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)或光纖/超高速集成電路等特殊設(shè)計(jì)外，基本上都是靠硬件描述語(yǔ)言甚至更高級(jí)的語(yǔ)言通過(guò)自動(dòng)化綜合一步一步實(shí)現(xiàn)的，很少直接接觸到底層的邏輯實(shí)現(xiàn)，所本科數(shù)字集成電路教學(xué)應(yīng)該偏重實(shí)用的硬件描述語(yǔ)言和自動(dòng)化設(shè)計(jì)原理及工具，以適應(yīng)EDA技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)的需求。關(guān)于CPLD/FPGA可編程邏輯器件的開(kāi)發(fā)，實(shí)際上其前端流程與基于標(biāo)準(zhǔn)單元的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的前端流程基本相同，所以相關(guān)課程可以共享，而對(duì)于后端設(shè)計(jì)則差異較大，不過(guò)從所需知識(shí)來(lái)講，數(shù)字集成電路后端步驟更全面，CPLD/FPGA器件的后端開(kāi)發(fā)相當(dāng)于前者的有限簡(jiǎn)化。通常在開(kāi)發(fā)數(shù)字集成電路時(shí)，也經(jīng)常采用CPLD/FPGA器件來(lái)驗(yàn)證。集成電路與CAD課程其實(shí)是與模擬集成集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)相配套的仿真工具相關(guān)的理論及實(shí)踐課程，講解集成電路電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程及每個(gè)步驟的作用及原理；講授集成電路相關(guān)的描述語(yǔ)言比如模擬集成電路的SPICE語(yǔ)言，數(shù)字集成電路的Verilog/VHDL語(yǔ)言；讓學(xué)生熟悉常用軟件，如Cadence、Synopsys公司集成電路設(shè)計(jì)軟件的操作；能用這些工具仿真驗(yàn)證模擬集成集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)理論課程所講授的電路理論，或者可以利用EDA工具結(jié)合所學(xué)到的集成電路理論，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的集成電路，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。總而言之，個(gè)人認(rèn)為集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程教學(xué)要注意以下幾點(diǎn)：

1）注意課程體系設(shè)置的協(xié)調(diào)性。一方面要避免知識(shí)體系彼此斷裂，另一方面也要避免不同的課程所講授的內(nèi)容重疊過(guò)多。當(dāng)然適度的內(nèi)容交叉有利于課程之間的銜接，且如果課程有涉及較多相同內(nèi)容的話(huà)，也可以在內(nèi)容難度上拉開(kāi)差距。

2）要注意理論課程與實(shí)踐課程的結(jié)合。集成電路設(shè)計(jì)的工程性極強(qiáng)，一方面要注意理論學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性與實(shí)用性，另一方面理論必須與實(shí)踐結(jié)合才不至于僵化變成死知識(shí)。當(dāng)然由于流片成本很高、周期很長(zhǎng)，所以這里的實(shí)踐更多指的是仿真驗(yàn)證。

3）要及時(shí)更新教材及授課內(nèi)容。雖然電路的基本理論大體已經(jīng)成熟，但是由于集成電路工藝以及工具發(fā)展日新月異，所以授課的內(nèi)容就應(yīng)該緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。比如，目前從C語(yǔ)言到Verilog語(yǔ)言的高級(jí)綜合已經(jīng)成熟并市場(chǎng)化，那么課堂教學(xué)就應(yīng)該包括這些內(nèi)容。

4）鼓勵(lì)學(xué)生假期去實(shí)習(xí)或參加研究生的科研項(xiàng)目。

4小結(jié)

我國(guó)正處在集成電路發(fā)展的黃金時(shí)期，高校應(yīng)該把握時(shí)機(jī)加大集成電路師資力量和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的投入，努力優(yōu)化集成電路相關(guān)的課程體系、積極更新授課內(nèi)容以滿(mǎn)足日新月異的集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。集成電路設(shè)計(jì)在整體集成電路相關(guān)的幾個(gè)方向中占據(jù)著重要的地位，本文深入探討了集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的課程設(shè)置及授課內(nèi)容等相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐及思考給出了建議。

作者：張長(zhǎng)春 單位：南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院