模擬集成電路分析與設計教學實踐研究

劉偉景 湯乃云 陳磊 宋小軍

摘 要：高校人才培養與產業發展存在一定程度脫節是導致我國集成電路人才嚴重缺乏的重要原因之一，通過教學改革，創新人才培養機制，培養產業發展需求的創新人才是首要而艱巨的任務。模擬集成電路分析與設計是微電子學專業學生的專業核心課程，對學生模擬集成電路設計相關能力培養起著重要的作用。文章結合教學實踐，從理論教學、實驗教學、教學管理等角度初步探討模擬集成電路分析與設計教學新思路。

關鍵詞：模擬集成電路；教學方法；課程改革；創新人才培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）05-0118-03

Abstract： The lack of the integrated circuit talent is partly induced by the disconnection between university personnel training and industrial development， and it is a main and huge task to cultivate the innovative talents the industrial development needed by teaching reformation and cultivation mechanism innovation. The analysis and design of analog integrated circuit is the core course in microelectronics， which plays an important role in the ability cultivation of the integrated circuit design. In this paper， we discussed the new idea of teaching from the perspectives of theoretical teaching， practical teaching and teaching management.

Keywords： analogue integrated circuit； teaching method； curriculum reform； innovative talents cultivation

集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。2014年國務院發布的《國家集成電路產業發展推進綱要》中，明確指出著力發展集成電路設計業為首要任務。目前，我國集成電路設計產業面臨嚴峻挑戰，芯片設計產品總體市場份額有所提升，但高端芯片市場份額很低，主流技術尚未擺脫跟隨，芯片自主研發能力和產品創新能力不足。集成電路產業是資金、技術和人才密集的產業，現在我國不缺市場和資本，最缺的是人才。對于集成電路設計領域，人才更是核心和關鍵。

2017年5月工業和信息化部軟件與集成電路促進中心發布《中國集成電路產業人才白皮書（2016-2017）》，分析總結了我國集成電路產業人才需求與培養狀況。目前我國芯片設計從業人員數量約13萬，到2020年，需要增加到28萬，差距有15萬人，產業人才供給與產業發展增速不匹配。相對于數字集成電路設計，模擬集成電路設計規模雖然較小，但涉及繁瑣復雜的器件及工藝等級別的設計分析，對設計者專業知識與經驗都有較高的要求，其培養周期更長，因此，模擬集成電路人才數量與質量缺口更大[1，2]。

高校對人才的培養與產業發展存在一定程度脫節是導致人才嚴重缺乏問題的重要原因之一。依據產業發展需求，改革人才培養方式，注重高端集成電路產業人才的培養，是我國高等院校微電子相關專業教學改革首要而艱巨的任務。

模擬集成電路分析與設計是微電子專業、電子科學與技術專業和其他相關專業一門重要的專業必修課程，對模擬集成電路設計人才的培養起著至關重要的作用[3，4]。

目前該課程教學存在很多問題，教學內容陳舊，理論教學與工程實踐脫節，教師和學生創新思維缺乏。如何通過改革、創新來提升理論與實踐教學效果，為產業發展培養既具備基本理論知識，又具備一定的工程實踐和技術創新能力的設計人才是該課程教學工作面臨的挑戰[5，6]。

本文結合自身教學實踐，依據產業發展需求，針對目前教學中普遍存在的問題，從課程的理論教學、實踐教學以及教學管理等幾個方面初步探討模擬集成電路分析與設計理論與實踐教學新思路。

一、理論教學內容與方法

加強理論教學是解決人才培養中理論知識不足的關鍵環節。模擬集成電路設計需要通過器件及制造工藝的深入討論進行電路級多維參數的折中與優化，電路設計與物理層分析密不可分，電路分析與設計比較繁瑣和復雜，要求學生具有很好的基礎理論、專業知識及應用能力，因此，本課程理論教學，立足經典教材，加強基礎知識與經典理論學習，同時注意補充行業與學術前沿理論與知識。

（一）教材選擇

我國高校該課程的很多教材內容都比較陳舊，對一些國外經典教材的翻譯質量也不高。結合我校學生特點和課程要求，選擇陳貴燦老師等翻譯的《模擬CMOS集成電路設計》（Behzad Razavi 著）為課程主教材，其英文原版為輔助教材[7]。依據行業發展與就業需求，鼓勵學生使用原版英文教材。該教材被譽為業界“三大圣典”之一，內容系統全面，闡述深入淺出，融合各種設計指標之間的折中與優化，但該教材對使用者要求較高，各種電路的分析與設計都要求學生具備很好的材料、工藝、器件物理、版圖、模型、設計流程概論等基礎，需要培養方案合理設置相關前期基礎課程，學生通過該教材學習，可將前期所學相關理論知識在本課程學習中實際融合運用，逐步提升對相關知識的理解與掌握。

同時，采用《CMOS Circuit Design， Layout， and Simulation》（R. Jacob Baker著）英文原版教材為課程參考教材，該教材理論與實踐結合緊密，書中提供大量仿真驗證工程案例，可為實踐教學提供參考。

（二）引入集成電路技術發展前沿，刪減陳舊知識點

集成電路產業高速發展，對模擬集成電路的應用和需求層出不窮，更為重要的是，以特征尺寸為驅動的先進工藝節點不斷往前推進，給模擬集成電路設計物理實現不斷帶來新的問題。教材知識體系更新嚴重落后于產業技術的高速發展，教材內容相對比較陳舊。

如很多設計問題中，都會討論MOS器件二級效應，在教授過程中需要講清楚對于相關效應的考慮，要結合具體設計所用工藝信息，基于不同工藝套件的設計所要考慮的器件于工藝問題差異很大。很多二階效應是特定工藝節點下的產物，隨著先進制程的不斷推進，新的效應不斷出現，有些舊工藝制程相關效應可能會減弱或消失。例如，在教材中討論的二階效應主要有，溝道長度調制和體效應，而在很多先進的制程中，設計者要考慮的效應遠遠不止這些。在一些比較先進的工藝節點工藝中，我們需要考慮很多深亞微米效應，如在40nm左右工藝節點中，MOSFET會出現速度飽和效應，當VDS增大提高，源漏間橫向電場增大，但載流子輸運速度不會成比例增大，載流子出現速度飽和，遷移率降低。當柵源電壓提高，垂直電場增大，溝道中的載流子遷移率會出現退化問題。目前，將特征尺寸不斷縮小的先進制程發展方向主要有兩個，一個是FinFET工藝制程，一個是FD_SOI工藝制程。FinFET工藝是一種全新圍柵結構器件工藝制程，FD_SOI工藝雖然是傳統平面工藝的延伸，但很多技術特點也有別于傳統平面工藝制程，如穿透效應，體效應等二階效應會明顯減弱或消失，同時又會出現一些需要我們關注的新問題。

因此，除了教授課程主線內容，必須積極關注產業發展動態和學術研究前沿，將產業和學術最新進展整理歸納，有選擇的帶入課堂。去舊存新，豐富和更新教學內容，保證課程教學的理論先進性和工程實踐性。

二、實踐教學內容與方法

很多高校模擬集成電路設計理論教學與工程實踐都存在一定的脫節，實踐教學量較小，實踐平臺有限，導致人才培養中工程實踐能力不足。教學與實踐有機結合是突破人才工程能力不足等問題的有效措施，我們從以下幾個方面著手來增強實踐環節教學質量。

（一）理論課程教學中引入EDA工具仿真驗證

模擬集成電路分析與設計過程比較繁瑣復雜，如果按照以教師講解為主，依據教材安排進行理論分析和公式推導，學生很難深入理解和掌握相關理論與知識。教師在進行電路分析與設計理論教學時，可以引入HSPICE等EDA工具對所講授電路理論進行仿真驗證。HSPICE是業界通用的高精度專業仿真軟件，通過網表編輯電路仿真輸入輸出信息，結合演示仿真對應的工藝節點信息選擇適用的模型庫。簡單電路仿真時間很短，便于課堂教學穿插使用。在理論分析過程中，通過HSPICE仿真來驗證理論分析和推導結果，讓學生對抽象的電路理論建立直觀感性的認知，加深學生對所學電路、器件及工藝的理解和掌握及綜合應用。在本課程教材沒有引入很多HSPICE的仿真實踐，教師可以根據授課內容，結合其他參考教材及工程文檔進行課堂仿真實驗的設計。

（二）強化集中實踐課程教學環節

集中實踐課程是讓學生通過獨立思考并應用所學理論知識來解決具體的模擬集成電路設計問題的實訓平臺，是學生工程實踐能力培養的關鍵環節。

讓學生在實踐課時內采用HSPICE等EDA工具依據實驗指導書進行幾項指定電路功能仿真驗證流程操作的傳統方式不能滿足人才培養的需求。需要通過以下幾個方面進行變革：

首先，以學生實踐為主，教師指導為輔的原則，實驗內容分兩部分：第一部分安排幾種電路前端仿真驗證與設計，給定電路讓學生畫原理圖或編輯網表，仿真并分析仿真結果。然后教師給出電路指標設計要求，讓學生根據所學理論知識自己選擇與設計電路結構與參數，仿真驗證，完成前端設計。第二部分選擇一個電路進行前后端完整設計，前端設計匹配功能電路基本指標，后端設計實驗側重涉及版圖設計，RC寄生抽取等制造工藝相關物理實現問題。學生完成前端仿真設計后，采用virtuoso等工具進行版圖設計，采用Synopsys-StarRC進行寄生RC參數抽取，形成帶有RC寄生參數的網表，再進行后仿真。很多設計公司都會將Synopsys與Cadence等公司的軟件結合使用，讓學生接觸多種設計工具，并注意工具間的差異，如HSPICE只能通過網表方式輸入，而Cadence軟件可以采用原理圖方式輸入，Hspice與Spectre輸入語法有所不同的問題。

其次，課外自由開放EDA實踐平臺，給學生充裕的獨立思考、實踐創新的空間。通過模擬前后端設計實踐，使學生掌握模擬集成電路原理及基本設計流程與方法。

（三）推進“產學研”融合培養

通過國家和地方政府集成電路發展促進中心公益平臺，集成電路設計公司與EDA軟件公司大學計劃等渠道，提升實踐教學平臺，為學生提供更多講座培訓與實訓機會。

鼓勵學生參加相關技術研討，關注網路技術論壇獲取很多產業知識和實踐經驗。

通過各種渠道，通過引入產學研項目，與企業聯合共建實踐教學平臺，創建實訓與實習基地，推進產學研深度融合，為學生提供更多參與項目和實習機會。

通過以上措施的共同推進學生的實踐教學質量，有效的促進學生對基礎理論知識的理解與綜合應用，激發學生探索學習的主觀能動性，促進學生工程實踐與技術創新能力的培養和提升。

三、教學方法、教學方式、考核方式等教學與管理方法

通過調整教學方法、教學方式以及教學管理方式等各個環節協同創造促進學生主動思考、獨立解決問題的培養環境，逐步推動學生創新思維和創新能力的培養。

（一）教學方法

根據模擬集成電路的內涵深，涉及面廣的特點，教學內容要重點突出，講解要深入淺出，以啟發式、互動式的綜合性教學方法為主。教學中既要進行電路級原理分析與設計，又要開展電路物理層實現相關問題討論。如在阻性負載共源級單級放大器如何獲得高增益的問題分析中，就需要教師結合工藝、器件、電路等相關知識的講解，引導啟發學生獨立思考，深入理解電路參數與工藝、器件等物理層之間的內在聯系，以此為基礎依據設計要求在增益、帶寬與電壓擺幅等多個參數之間自行進行折中優化，逐步提高應用所學理論知識實際解決問題的能力。同時要結合產業與學術的最新進展，引入產業前沿知識與工程案例，來拓展豐富教學內容，提高學生不斷探索學習的積極性。

（二）教學方式

運用電子課件、演示短片、先進設計與制造視頻及流程演示動畫等的形象教學和適度的理論推導，講清各種模擬集成電路的基本概念和原理，教學過程采用雙語形式；推進以網絡化、信息化為基礎的教育信息化，革新教學方式，鼓勵教師開設與完善慕課建設，融入新的高等教育生態，讓學生接觸更廣博的教育資源，創新學習生態[8]。指導學生通過專業技術論壇，行業重要期刊等網絡數據資源拓展課堂外延學習。指導學生參加集成電路設計大賽等相關學科競賽，通過高水平競賽實踐平臺，進一步提升師生實踐素養和創新思維[9]。

（三）考核方式

采用平時成績、階段課堂測試、期末調研報告、實驗成績相結合的綜合考核體系。根據課程知識結構，學期中進行3-4次階段課堂測試，考核階段教學基本理論知識的理解與掌握情況。將考試壓力分散到平時，避免學生平時松懈，期末靠前突擊，該方式可以提高學生平時課堂學習動力，促進課程教學效果。提高實驗成績權重，通過綜合答辯考察EDA工具使用、設計流程，理論知識綜合應用等實踐能力，避免學生重理論、輕實踐，有效促進工程實踐能力培養。期終調研報告要求學生在一定框架內自選課題，通過學術論文與工程文檔調研，進行總結歸納與討論拓展，讓學生不局限教材體系知識的被動接受，拓展行業技術和學術前沿等外延知識學習，培養學生自我探索意識和創新思維。總評成績通過平時成績、課堂測試、調研報告和實驗等四項成績按比例綜合給出。

通過以上理論與實踐教學方法、教學方式以及考試方式的改革創新，提高理論與實踐教學質量，調動學生學習主動性，增強學生的知識能力與工程實踐能力，以此為基礎培養創新思維，促進創新能力形成。同時，這些措施的有效實施，還依賴于教師理論與實踐專業能力、教學管理水平的不斷提升。因此，要著實推進師資隊伍建設，注重通過項目實踐、行業培訓等方式提高在崗教師專業理論與實踐素養，注重產學研聯合提升教學平臺，創新人才培養機制。

四、結束語

高校人才培養與產業發展存在一定程度脫節是導致我國集成電路設計人才，特別是模擬設計人才缺乏的一個重要原因。模擬集成電路分析與設計是微電子學專業學生的專業核心課程，對學生模擬設計相關能力培養起著重要的作用。本文針對目前模擬集成電路分析與設計課程教學中存在的教學內容陳舊，理論教學與工程實踐脫節，教師和學生創新思維缺乏等主要問題，結合本人教學實踐，從理論與實踐教學、教學管理等角度初步探討模擬集成電路分析與設計課程改革新思路，提升學生知識與實踐能力，培養創新思維，為國家蓬勃發展的集成電路產業提供人才支持。

參考文獻：

[1]魏少軍.2015年中國集成電路設計業的發展情況[J].集成電路應用，2016，01：8-13.

[2]魏少軍.2017年中國集成電路產業現狀分析[J].集成電路應用，2017，04：6-11.

[3]陳國平，夏鯤，王楠.模擬集成電路設計教學方法探討[J].中國教育技術裝備，2013，30：95-96.

[4]藺智挺，彭春雨，朱家俊.模擬集成電路設計實訓[J].實驗室研究與探索，2015，02：214-217.

[5]廖午陽.模擬集成電路設計教學探討——實例項目方法總述[J].科技視界，2015，25：155.

[6]張翼，張瑛，成建兵，等.從設計角度教授“模擬集成電路分析與設計”課程[J].大眾科技，2017，08：115-117.

[7]成建兵.《模擬集成電路分析與設計》雙語教學的實踐和研究[J].中國科技信息，2011，22：183-190.

[8]王添淼，張越.慕課教學中教師角色轉換的敘事研究[J].課程·教材·教法，2017，03：110-115.

[9]張鴻.淺談集成電路設計競賽對《模擬集成電路設計》課程教學的促進作用[J].電子世界，2015，23：59-60+62.