關于在計算機專業教學中引入集成電路設計有關內容的探討

摘要：集成電路設計是信息產業的核心技術，對信息產業的發展至關重要。在未來幾年內，集成電路設計人才的需求量將急劇增加。本文探討如何在計算機專業教學中引入集成電路設計的有關內容，使學生畢業后能夠勝任集成電路設計工作。

關鍵詞：計算機科學與技術；集成電路設計；教學計劃；課程設置

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）02-0063-03

1引言

集成電路(Integrated Circuit，簡稱IC)就是通常所說的芯片。集成電路是整個信息產業的基礎和核心，現在的計算機設備、通訊設備、消費類電子設備等各種各樣的信息設備幾乎都是以集成電路為核心所構建的。比如說計算機是以中央處理器芯片(CPU)、存儲器芯片等芯片為核心構建的系統，電視機是以圖像處理芯片、解碼芯片等芯片為核心構建的系統，因此集成電路是各種信息設備的關鍵核心技術所在。

目前，我們國家的信息產業正處于飛速發展時期，市場容量巨大。但是由于代表核心技術的集成電路主要依賴進口，使得我們國家信息產業的自有技術含量較低、利潤空間降低，這種情況持續下去，將會極大地制約和阻礙我國信息產業的發展，甚至威脅到國家的安全。因此，盡快提高我國集成電路設計水平，培養我們自己的集成電路設計人才已成為大勢所趨。在這種情況下，國務院于2000年頒發了18號文件，大力支持和發展我國的集成電路產業[1]，從此我國的集成電路設計業進入了一個快速發展時期。在2000年，我國的IC設計公司僅有數十家， IC設計人員3000人；到2004年底，全國集成電路設計企業總數已達500多家，IC設計人員2萬人；預計到2008年，IC設計公司將突破800家，需要IC設計人才30萬人[2]。

與巨大的人才需求相比，我國現行的高等教育體系缺乏相應的集成電路設計人才的培養機制。目前，國內絕大多數高等院校的教學計劃和課程體系缺乏集成電路設計的有關課程和相關實驗，這種狀況造成我國集成電路設計人才的極度匱乏和集成電路設計業整體水平較低。由于計算機科學與技術專業的知識結構與集成電路設計所需的知識結構比較相近，只需增加少量與集成電路設計有關的課程和實驗，即可使計算機科學與技術專業的學生能比較系統地掌握集成電路設計的理論、方法和技術。因此，我們認為有必要改革現行的計算機科學與技術專業的教學計劃，適當增加與集成電路設計有關的課程和實驗，這樣就能使計算機科學與技術專業的畢業生勝任集成電路設計工作，從而有效緩解我國集成電路設計人才匱乏的現狀，提高我國集成電路設計從業人員的整體素質和水平。

本文就如何在計算機科學與技術專業教學中引入集成電路設計有關內容進行了探討，包括課程設置、實驗項目設置與實驗室建設等內容。

2課程設置

（1）課程設置思想

在確定課程設置方案時，首先要明確人才培養目標。我們將集成電路設計人才的培養目標定位于能夠從事各類電子信息系統的電路設計與開發，并且具有一定的原始創新能力，即具有從系統的設計思想、方法到集成電路設計與實現所需的一系列知識與能力。另外，要充分考慮到集成電路設計是一個多學科交叉的領域，涉及到計算機科學與技術、電子科學與技術、信息與通訊工程、數學等多個學科的內容。因此，課程設置要覆蓋到所需要的知識點，從而構成完善的知識體系。

根據上述要求，我們認為集成電路設計所需的知識結構應該包括以下三個主要部分：基本理論與知識、集成電路設計原理、方法與技術以及相關應用領域知識。其中，基本理論與知識部分包括數學、物理、電子學、計算機等相關課程，主要包括以下幾門課程：高等數學、線性代數、概率論與數理統計、離散數學、大學物理、電路分析、模擬電子技術、數字電子技術、半導體器件電子學、計算機語言與程序設計、計算機組成與系統機構、微機原理與接口技術等。這些課程為集成電路設計人才奠定了雄厚的理論基礎，為其以后從事創新性的設計工作鋪好了基石。另外，這些課程在現行的計算機專業教學計劃中基本上都有，幾乎不需要額外增加。集成電路設計原理、方法與技術部分主要包括以下幾門課程：超大規模集成電路設計方法學、硬件描述語言、集成電路EDA(Electronics Design Automation)技術等[3]。超大規模集成電路設計方法學主要介紹集成電路設計原理、方法、流程等內容；硬件描述語言是進行集成電路設計必須掌握的工具性語言，目前應用最廣泛的硬件描述語言有兩種：Verilog和VHDL，可以根據情況選用其中任何一種；集成電路EDA技術介紹集成電路輔助設計工具的原理及使用方法，主要包括仿真、綜合優化、布局布線、時序分析、版圖驗證、功耗分析、FPGA驗證等各種工具的原理及使用方法。這些課程向學生提供了集成電路設計與實現所需的專業知識和技能，構成了將設計思想轉換為實際電路所需的知識平臺。相關應用領域是指應用集成電路實現或構造自己產品的領域。任何一款集成電路芯片都有它的應用領域或者說是應用環境，比如：數字圖像處理芯片應用于數字圖像處理領域，手機芯片應用于無線通信領域，數據加密芯片應用于信息安全領域等。任何一款集成電路芯片的功能和性能都由其應用領域或應用環境所決定，因此集成電路設計者首先應該了解應用領域的相關知識，然后進行需求分析并抽象出具體的功能和性能指標，在此基礎上才能進行芯片的體系結構設計和電路設計與實現。由于集成電路的應用領域非常廣泛，涉及到的課程也很多，不可能每個學生將所有應用領域的相關課程都學完，因此相關應用領域知識部分的課程可作為選修課程，由每個學生根據自己的興趣、愛好和基礎選修一門或幾門課程。

（2）課程設置方案

根據上述課程設置思想，我們只需將現有計算機科學與技術專業的教學計劃作適當調整，增加少量課程，就可以使計算機科學與技術專業的畢業生具有集成電路設計能力。增加的這些課程可以作為一個專業方向教學模塊供有興趣的學生選修。下面給出一個集成電路設計方向教學模塊的課程設置方案，見表1。

學生在學完計算機科學與技術專業必修課的基礎上，通過選修集成電路設計方向教學模塊中的三門必選課和某些任選課，就可以形成有關集成電路設計的比較系統的知識體系，從而具有從事集成電路設計的能力。這樣能夠有效地改變當前計算機專業學生大多只會軟件設計而不懂硬件設計的現狀，完善計算機專業學生的知識結構，使其更加符合信息技術的發展趨勢，具有更強的原始創新能力。

3實驗項目設置與實驗室建設

集成電路設計是一個實踐性很強的學科方向，必須通過大量的實驗才能真正掌握有關的知識和技能，因此我們在有關課程中都加大了實驗課時，以便加深學生對所學知識的理解并提高其動手能力。下面給出了一個實驗項目設置方案，見表2。

為了支持上述實驗項目的開展，必須建立一個集成電路設計實驗室，該實驗室所需的硬件設備包括PC機、工作站、FPGA開發板、CPLD開發板、邏輯分析儀等，軟件工具包括仿真軟件、綜合優化軟件、布局布線軟件、時序分析軟件等。

4結束語

當今我國信息產業的發展趨勢是：大力提高企業的技術創新能力，提高產品的自有技術和核心技術的含量，從而提高產品的利潤空間和競爭力。因此，代表信息產業核心技術的集成電路設計就成為一個具有巨大發展潛力的學科方向。我國現行的高等教育體系缺乏相應的集成電路設計人才的培養機制，從而造成我國集成電路設計人才的極度匱乏。為此，我們建議適當調整計算機科學與技術專業的教學計劃，增設一個集成電路設計方向的教學模塊供學生選修，這樣，只需增加少量課程即可使學生比較系統的掌握集成電路設計理論、方法和技術，從而不僅完善了學生的知識結構，提高了學生的就業競爭力，而且能夠有效地緩解我國集成電路設計人才匱乏的現狀。

參考文獻:

[1]國務院2000年18號文件.鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策［EB/OL］. http://www.scoba.org/links/doc18.htm.

[2]人才缺口25萬 IC設計人才最低年薪八萬［EB/OL］. http://news.csdn.net/news/newstopic/16/16326.shtml.

[3]西安電子科技大學集成電路設計與集成系統專業介紹［EB/OL］. http://daxue.learning.sohu.com/school_schoolmajor_2293.html.

投稿日期：2006-07-31

作者簡介：曲英杰（1964－），男（漢族），山東青島人，教授，博士，研究方向：集成電路設計、計算機系統結構、信息安全。

基金項目：青島科技大學教學研究項目。