云計算助力集成電路專業實踐教學

南通大學電子信息學院 孫海燕 孫 玲南通大學杏林學院 張 威 楊玲玲 陸曉飛

云計算助力集成電路專業實踐教學

南通大學電子信息學院 孫海燕 孫 玲南通大學杏林學院 張 威 楊玲玲 陸曉飛

集成電路的設計、制造以及封裝與測試都離不開EDA工具，因此，基于EDA工具的實踐教學是高校集成電路相關專業的必備教學環節之一。受大學生集成電路設計大賽啟發，結合我校EDA機房使用現狀，提出利用云技術將集成電路EDA工具云端化，以充分提高教學資源的利用率，為學生課外自主學習提供平臺和條件，推動集成電路專業教學方法的變革和教學質量的提高。

云計算；集成電路；電子設計自動化

0 引言

當網絡中的各種硬件、軟件等資源以服務的方式提供給終端用戶時，該網絡被稱作“云”。“云”中的資源對用戶而言是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用[1]。隨著云技術逐漸走向成熟，云服務在各行各業中的應用越來越多，也為教育信息化建設帶來了新的機遇。如何充分發揮云計算的優勢，構建各種云平臺以更好地進行高校的教務管理、專業資源庫建設、虛擬學習等成為人們關心的熱點之一[2-5]。

本文針對我校專業EDA機房使用率高，而單個軟件資源利用率低的問題，結合以虛擬化為核心的云計算技術能夠統一管理和調度大量用網絡連接的計算資源的特點，并受2015年大學生集成電路大賽中北京華大九天軟件有限公司為參賽學生提供了基于云平臺的全定制集成電路設計工具的啟發，在分析集成電路設計與集成系統專業特點和當代大學生群體特點的基礎上，討論構建云端EDA實踐教學平臺的可行性和必要性。

1 構建基于云計算的EDA實踐教學平臺

1.1 集成電路設計與集成系統專業特點

集成電路設計與集成系統專業是教育部根據“面向國家戰略需求、面向世界科技前沿”的方針，為適應我國持續快速增長的集成電路市場對專業技術人才的需要而最新設立的電子信息類專業。2004年，我校成為全國首批具有“集成電路設計與集成系統”本科專業招生資格的院校之一，本專業側重培養集成電路設計人才，同時為學生提供了集成電路封裝、集成電路測試以及集成電路應用方面的方向選修課。

集成電路設計是一個多學科交叉、高技術密集的學科，從事集成電路設計需要的知識可以概括為：系統知識、電路知識、工藝知識和工具知識四大方面[6]。其中，不同種類的集成電路EDA工具貫穿了集成電路設計、制造、封裝和測試的全過程，就集成電路設計階段而言，集成電路設計工程師就需要根據所從事的設計任務和內容掌握不同的軟件工具。例如，從事晶體管級電路設計的工程師需要掌握SPICE類電路分析工具；從事邏輯電路級設計的工程師需要掌握Verilog等硬件描述語言及相應的分析和綜合工具；從事集成電路版圖設計的工程師需要掌握全定制版圖設計工具或自動布局布線工具等。可以說，如今的集成電路設計已經離不開EDA工具，而工具的使用在于熟能生巧，因此，在學校學習階段，能夠讓學生更多地練習并熟練使用EDA工具，將為他們今后從事本專業方向工作打下扎實的基礎。事實上，熟悉相關仿真軟件、了解集成電路設計和流片的全流程已經成為應聘集成電路設計工程師的必備要求之一，因此，建設云端EDA平臺是培養本專業領域滿足社會需求的合格專業技術人才的必然要求。

1.2 當代大學生的特點

如今的大學校園，在現代信息技術熏陶下成長起來的“90”后已經成為主體，他們的心理特征、思維方式、行為習慣等都具有鮮明的時代特征[7]。傳統的形式僵化、內容枯燥無味的課堂理論教學難以激發“90”后們的學習興趣，但他們對動手實踐環節卻表現出極大的熱情。這也是近年來我院學生報名參加各種課外訓練項目、各級各類的學科競賽以及參加集成電路設計大賽等專業賽事的人數不斷增多的原因之一。基于EDA技術的集成電路專業實踐課程正滿足了學生這一學習需求，因此，協調好理論教學和實踐教學的關系，適當提高實踐教學的深度和廣度，尤其是在實踐教學中引入理論教學中沒有涉及到的與實際應用密切相關的知識，無疑將促進學生對理論知識的掌握，提高他們解決本專業領域實際問題的能力。

此外，當代大學生們還熱衷于網絡化生活，智能手機、筆記本電腦、iPad等成為他們的隨身之物。如果在集成電路的實踐教學中能夠利用云平臺提供各種EDA工具，就可以改變以往學生必須到機房才能完成實驗的教學模式，他們可以使用筆記本、PAD甚至手機等任何一種終端隨時隨地完成電路設計工作。因此，為滿足當代電子信息類學生的學習需要，建設云端EDA平臺勢在必行。

1.3 基于EDA實踐教學的應用型人才培養

近年來，EDA技術逐漸被引入到電子信息類專業人才的教學中。借助EDA工具可以克服傳統電子類課程實驗內容有限，實驗室電子元器件品種不全、數量不足、實驗電路板形式單調等不利于學生創新設計的缺點，有助于培養學生的分析設計能力和創新應用能力[8]。多年的教學實踐表明，學生通過使用EDA工具，可以快速地設計出各種電子系統，能夠科學系統地掌握電子系統設計方法。然而，在EDA實踐教學中，我們也遇到了如下一些問題：

（1）計劃內實驗環節學時少，學生課外自主學習條件欠缺。我校為適應電子信息技術快速發展對專業技術人才的需要，于1999年成立了EDA實驗中心。目前，中心承擔了學院集成電路設計與集成系統、電子科學與技術、通信工程等多個本科專業的模擬電路SPICE仿真實驗、基于FPGA的數字電路仿真實驗、集成電路版圖CAD等多門課程的教學任務。盡管中心對全體學生開放，但由于中心安排的教學任務較滿，難以滿足學生課外隨時使用EDA資源的需求。另外，就單門EDA課程的而言，計劃內實驗學時不足以讓所有學生都很好掌握EDA技術。

（2）實驗內容與生產實際結合不緊密，靈活性不夠。目前，大多數EDA實驗內容屬于基礎驗證型，主要是為了檢驗學生對理論教學的知識掌握情況。在有限的計劃實驗學時內，難以開展更為豐富的綜合設計型實驗，學生只能按照實驗指導書按部就班地被動完成實驗內容，部分學習上有困難的學生甚至不能在課堂上獨立完成實驗內容，存在囫圇吞棗，草草應付的現象。這樣的實驗教學沒有真正達到提高學生實踐創新能力的目的，也沒有能夠很好地發揮學生的能動性，提高他們獨立分析問題、解決問題的能力。

1.4 基于云平臺的EDA實踐教學

近年來，我國集成電路市場持續快速增長，行業對專業技術人才的需求旺盛，但現有的集成電路專業教學模式使培養的人才難以立即適應崗位需求。為了培養受企業歡迎的畢業生，以工程實例為實踐內容，讓學生從原理圖開始，獨立完成設計、仿真甚至流片測試的集成電路設計全過程是一條行之有效的途徑。而讓學生熟練掌握現代電子設計方法，熟練使用各種EDA工具是重要的基礎之一。如何突破現有EDA機房物理空間有限，為學生課外自主學習EDA工具提供條件，云計算的出現為構建EDA虛擬仿真平臺提供了技術方案。2015年集成電路設計大賽中，北京華大九天軟件有限公司通過云平臺為全國部分高校參賽學生提供了全定制集成電路設計的全流程工具，為我們提供了很好的示例。通過建立校園網內的私有云，為學生提供EDA工具服務將是提高他們EDA實踐能力的一種很好的嘗試。

2 結語

當前形勢下，推動我國自主知識產權EDA設計工具的普及，為我國的集成電路產業發展提供合格的、實踐能力強的畢業生是高校的使命。通過進一步完善EDA平臺建設，為學生提供極大的創造空間，凸顯學生在教學活動中的主體地位，有利于他們創新思維和創新能力的培養。

[1]張慧．基于云計算的開放性教學資源平臺建設研究[J]．計算機技術與發展,2012,22(1):202-204,208．

[2]萬智萍,莫偉健．基于云計算的高校信息化虛擬學習體系的研究與探索[J]．長春大學學報,2014,24(10): 1449-1451．

[3]張鳳來,方程．云計算在國家開放大學教務管理系統中的應用[J]．軟件工程師,2014,17(11): 57-58,54．

[4]李賀華,陳順立．基于云計算的專業教學資源庫建設研究[J]．實驗技術與管理,2014,31(10): 193-197．

[5]李旭．云計算在高等院校中的應用初探[J]．江蘇科技信息,2014,20:30-31．

[6]王志功,沈永朝．集成電路設計基礎[M]．北京: 電子工業出版社,2004．

[7]呂鵬,王振．當代大學生的特點與思想政治教育策略[J]．教育與職業,2014．3:52-53．

[8]王正勇,陳學昌．依托EDA技術促進電子信息類專業教學模式改革的探索[J]．工業和信息化教育,2014,7: 51-53．

孫海燕（1977-），男，江蘇南通人，博士，南通大學電子信息學院副研究員。

江蘇省高校品牌專業建設工程資助項目。