面向集成電路質量技術創新人才培養的探索與實踐

董慧 李曉維

摘 要：文章通過以計算機體系結構國家重點實驗室為例，介紹了面向計算機集成電路質量技術創新人才培養的課程體系建設及其特色，教材建設及教學成效，案例翔實。

關鍵詞：集成電路；質量技術；創新人才培養

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）01-0018-03

Abstract： In this paper， we set the key state-owned computer constructional laboratory as an example， introduce the construction and characteristic of the talents training course in face of the technological innovation in computer integrated circuit field， as well as the construction of teaching material and teaching effect.

Keywords： integrated circuit； quality technology； innovative talents training

一、背景

集成電路芯片設計中的bug、制造中產生的故障、使用過程中的環境干擾和老化問題，可能導致信息系統失效、造成經濟損失甚至災難性后果。在集成電路（IC）芯片廣泛應用于電子信息系統、產品質量要求日益提高的大趨勢下，對設計驗證的完備和高效、芯片故障的快速可靠精確測試、芯片運行時容錯的需求越來越高。驗證、測試和容錯是數字IC質量保障的主要技術手段。

中科院計算所在集成電路質量技術領域有近四十年的科研積累，曾于二十世紀九十年代多次榮獲中國科學院自然科學獎。2000年以來，隨著計算所多款芯片的研制成功，在包括驗證、測試、容錯等在內的全生命周期集成電路質量技術領域取得了豐碩的科研成果，培養鍛煉了一支活躍的教育教學科研團隊“中科院計算所測試與容錯技術創新團隊”。

經過十余年的努力，本教育教學科研團隊結合中科院計算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復處理器等）的全生命周期質量技術問題，建立了完整的課程體系，包括 3門核心課程、3門研討課程和 4門國際合作課程，在國內外研究生教學機構中都很少見。

二、教育教學實踐簡介

由中科院計算所和中國科學院大學合作完成的“面向集成電路質量技術創新人才培養的教育教學實踐”成果，包含一個覆蓋集成電路全生命周期質量技術的完整的課程體系，包含10門課程，如下表所示。其中3門核心課程《VLSI測試與可測試性設計》、《集成電路驗證》、《數字系統的故障診斷與容錯設計》在國科大均有十余年科研教學實踐（如表1）。

教育教學目標：通過系統地講授集成電路質量技術的核心課程、高級選修課程，使研究生掌握集成電路質量技術領域堅實寬廣的基礎理論、系統深入的專門知識，具有集成電路驗證、測試、容錯設計方向獨立從事科學研究工作、取得創新性研究成果的能力，并培養集成電路驗證、測試、容錯設計方向高級工程技術人員、服務于集成電路產業。

本教育教學實踐成果主要體現在下面三個方面：

1. 鍛煉了一支優秀的教師隊伍：課程體系的全部教員（李曉維研究員、李華偉研究員、沈海華副教授、胡瑜研究員、韓銀和研究員等）均來自于科學研究工作的第一線——北京市創新團隊“中科院計算所測試與容錯技術創新團隊”。主要教員2009年以來獲得：中科院朱李月華優秀教師獎 4人次，中科院優秀研究生指導教師獎 1人次；國家技術發明獎二等獎 1項、國家科技進步獎二等獎 1項、北京市科學技術獎一等獎 1項、中國質量協會質量技術獎一等獎1項。

2. 培養了卓有成效的創新人才：本團隊指導的學生2009年來獲得中科院院長獎 6人次，中科院優秀博士論文獎 1人次，中國計算機學會優秀博士學位論文獎 1人次，北京市優秀畢業生 3人次。培養的博士生已有13位擔任副教授；1人擔任航天某所研究員，負責并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機，獲得國家技術發明獎和國家科技進步獎二等獎各1項；培養的碩士生1人在集成電路領域成功創業，獲“昆山市2014年度領軍型創業人才”稱號。

3. 踐行了科教融合的教學實踐：（1）出版學術專著 4本、譯著1本作為教材和教學參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用；（2）依托中科院計算所集成電路實驗室，教學內容與教員承擔的科研緊密結合，培養了學生的創新能力，培養的學生在國際學術會議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學生競賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請美國知名教授合作講授 4門研究生課程，促進學生與國際一流學者的合作研究。2009年以來本團隊學生在IEEE/ACM Transactions上發表論文36篇。

三、教育教學實踐特色

本教育教學實踐不僅能生動形象地為學生詮釋集成電路質量技術領域的基本概念、基本原理、基本方法，還給學生提供了工程開發和技術實踐的實驗環境，并將該領域的最新研究進展引入課堂，解決了教學與科研脫節的問題，促進了學生進一步在該領域從事前沿技術研究，做到了教育和科研的無縫銜接。

（一）出版學術專著 4本、譯著1本作為教材和教學參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用

授課教師根據多年的研究積累，完成了 4部中文著作——《數字集成電路測試優化》、《數字集成電路設計驗證》、《低功耗集成電路》、《數字集成電路容錯設計》，以及1部譯著《全面的功能驗證：完整的工業流程》，作為這 3門課程的主要教材和教學參考書。

測試課程引進國際專著《VLSI TEST PRINCIPLES AND ARCHITECTURES： Design for Testability》作為主要教材。首席教師李曉維研究員參與了該著作第 6章的撰寫。驗證課程引進和翻譯了IBM資深驗證工程師撰寫的國際專著《全面的功能驗證：完整的工業流程》作為研究生教材；容錯課程引進國際經典著作《Reliability of Computer Systems and Networks： Fault Tolerance， Analysis， and Design》作為主要教材。上述教材有效保障了核心課程的教學內容與國外先進水平接軌。

此外，授課教師在引進翻譯英文著作和撰寫中文著作的過程中，對本領域專業術語的中文翻譯進行了認真的校訂，促進了學科的建設和國際前沿技術在國內的傳播。

（二）依托中科院計算所集成電路實驗室，教學內容與科研緊密結合，培養了學生的創新能力

《VLSI測試與可測試性設計》課程的科研實踐中，學生可使用一款異構多核系統芯片Godson-Dm，學習和實踐分布式與多路選擇器結合的測試訪問機制設計。《集成電路驗證》課程的科研實踐中，學生可使用一款ARM v8處理器，進行基于指令模板的通用處理器約束隨機指令生成，學習和實踐各種功能場景的驗證。《數字系統的故障診斷與容錯設計》課程的科研實踐中，學生可使用一款自修復處理器SRP，學習和實踐利用SRP搭建無線傳感網絡容錯節點。

通過上述課程的學習，有效提高了學生的創新能力。培養的博士生鄢貴海在IEEE ATS'10上獲得博士論文競賽冠軍、在IEEE ITC'11上獲得TTTC國際博士論文競賽亞軍；博士生王穎在IEEE DAC'16上獲得國際低功耗圖像識別競賽冠軍。

（三）聘請美國知名教授合作講授4門研究生課程，促進學生與國際一流學者的合作研究

為了加強教學和教育的國際交流，授課教師持續邀請國際著名高校的教授和專家來訪并講授研究生課程，代表性課程包括：1.為美國UCSB大學Kwang-Ting Cheng教授（IEEE Fellow）申請中科院多學科交叉研究專項，在2012年3月-9月期間來訪，開設研究生課程《高通量計算系統的可靠設計、驗證與測試》； 2.邀請美國UT Austin大學Jacob Abraham教授（IEEE Fellow）來計算所短期國際合作，在2013年6月講授研究生課程《VLSI Testing and Design Verification》；3.聘請美國麻省大學Sandip Kundu教授（IEEE Fellow）為中科院外國專家特聘研究員，在2014年3月-4月講授研究生課程《Design for Manufacturability and Reliability of VLSI Circuits》；4.承辦龍星計劃課程——“高性能數字系統的建模與驗證”（2016年9月），由美國波特蘭州立大學Xiaoyu Song教授講授。

這些課程的開設，促進了課程體系的國際交流、改進和完善，給選課學生提供了豐富的科研視野，為研究選題、創新思路和實驗方法提供了深入的指導。學生與Kwang-Ting Cheng教授合作的研究論文2014年在IEEE Trans. VLSI System發表，與Sandip Kundu教授合作的研究論文2016年在IEEE Trans. CAD發表。

2009年來本團隊學生在IEEE/ACM Transactions上發表論文36篇。

四、教育教學實踐成效

“面向集成電路質量技術創新人才培養的教育教學實踐”形成了一個覆蓋集成電路全生命周期質量技術的完整的課程體系，僅在中科院研究生院/中國科學院大學選修上述課程的研究生就有一千多人。

（一）推動了國內外高校集成電路質量技術領域研究生課程的開設

參與本課程體系學習的學生畢業后使用相同的教材和課件，在同濟大學、北京航空航天大學、合肥工業大學、中南大學、北京理工大學、中國石油大學、江南大學等開設了同類研究生課程，進一步促進了我國集成電路質量技術創新人才的培養。參與編寫的英文教材被美國斯坦福、UCSB、UCSD、UT Austin、麻省大學、香港中文大學、香港科技大學、臺灣清華大學、臺灣大學、日本九州工業大學等十幾所國際知名高校采用。

（二）培養了一批學術界優秀人才及多名集成電路業界領軍人才

本團隊指導的學生2009年來獲得中科院院長獎 6人次（付斌章、胡杏、黃柯衡、鄢貴海、葉靖、周艷紅），中科院優秀博士論文獎 1人次（鄢貴海），中國計算機學會優秀博士學位論文獎 1人次（鄢貴海），北京市優秀畢業生 3人次（董建波、馬君、周君）。培養的博士生已有13位任職副教授（張磊、鄢貴海、李佳、王達、付斌章、安竹林、張穎、付祥、裴頌偉、高建良、靳松、劉軍、許達文）。

修課學生劉波現任航天二院502所研究員，負責并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機，獲得國家技術發明獎和國家科技進步獎二等獎各1項。

培養的碩士生張飛飛在集成電路領域成功創業，于2013年創立江蘇邦融微電子有限公司，擔任總經理，主營安全類芯片-指紋識別芯片和指紋識別模組，榮獲“昆山市2014年度領軍型創業人才”稱號。

（三）在教育教學實踐中打造了一支優秀的教學科研團隊

本教學科研團隊的全部教員（李曉維、李華偉、沈海華、胡瑜、韓銀和等）均來自于科學研究工作的第一線。團隊成員先后獲得中國質量協會質量技術獎一等獎（2011）、國家技術發明獎二等獎（2012）、北京市科學技術獎一等獎（2014）、國家科技進步獎二等獎（2015）。李曉維領銜的“中科院計算所測試與容錯技術創新團隊”入選2014年度“科技北京”百名領軍人才培養工程。

李曉維獲中科院朱李月華優秀教師獎（2009和2016）、中科院優秀研究生指導教師獎（2012）、中國計算機學會優秀博士學位論文導師獎（2012）；李華偉獲中科院朱李月華優秀教師獎（2012）；胡瑜獲中科院朱李月華優秀教師獎（2013）。

五、結束語

本教育教學實踐成果形成了覆蓋集成電路全生命周期質量技術的課程體系，培養了卓有成效的創新人才，踐行了科教融合的教學實踐。

覆蓋集成電路全生命周期質量技術的課程體系：結合中科院計算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復處理器等）的全生命周期質量技術問題，建立了完整的課程體系，包括3門核心課程、3門研討課程和4門國際合作課程，在國內外研究生教學機構中都很少見。其中3門核心課程《VLSI測試與可測試性設計》、《集成電路驗證》、《數字系統的故障診斷與容錯設計》均有十余年教育教學實踐。

卓有成效的創新人才培養：本團隊指導的學生2009年來獲得中科院院長獎 6人次，中科院優秀博士論文獎 1人次，中國計算機學會優秀博士學位論文獎 1人次，北京市優秀畢業生 3人次。培養的博士生已有13位擔任副教授；1人擔任航天某所研究員，負責并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機，獲得國家技術發明獎和國家科技進步獎二等獎各1項；培養的碩士生1人在集成電路領域成功創業，獲“昆山市2014年度領軍型創業人才”稱號。

科教融合的教學實踐：（1）出版學術專著 4本、譯著1本作為教材和教學參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用；（2）依托于中科院計算所集成電路實驗室、國科大計控學院智能硬件及硬件安全實驗室（基礎EDA工具平臺、FPGA仿真實驗環境等），教學內容與教員承擔的科研緊密結合，培養了學生的創新能力，培養的學生在國際學術會議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學生競賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請美國知名教授合作講授4門研究生課程，促進學生與國際一流學者的合作研究。2009年以來本團隊學生在IEEE/ACM Transactions上發表論文36篇。

經過八年來的建設，我們在培養集成電路質量技術領域創新人才的同時，造就出一支年齡結構合理、教學經驗豐富、學術造詣高的集成電路質量技術領域核心課程教師隊伍，積累了豐富的教學經驗，取得了豐碩的成果。我們在教學內容、教學方法、教學實踐等方面，堅持改革和創新，及時將科研活動中取得的最新成果融入教學中，促進了教學水平的不斷提高，保證了課程體系建設始終處于國際先進、國內領先的水平。

參考文獻：

[1]楊瓊.對新形勢下的高校非計算機專業計算機基礎課程及課程群設置的思考[J].高教學刊，2015（24）：64-65.

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