集成電路設計與集成系統專業培養方案的研究

鄒志革 鄒雪城 雷鑑銘 楊曉非

摘要：國家為鼓勵和支持我國集成電路產業發展，連續出臺了一系列文件。針對國家急缺集成電路方向人才的現狀，華中科技大學自2009年開辦集成電路設計與集成系統本科專業。開辦之初，以國內眾多高校建設該專業的經驗為高起點，確定了集成電路設計與集成系統本科專業的建設原則，在廣泛調研了國內外相關專業培養方案之后，制訂了獨具特色的培養方案。文章還以體系結構及嵌入式系統知識點為例，給出了相關課程和授課內容。總結10年來的專業建設成果和經驗，該培養方案得到各高校和用人單位高度認可。

關鍵詞：集成電路設計與集成系統;本科專業;課程體系;人才培養

中圖分類號：G642.0;TN4? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0062-04

一、引言

2018年的中興通信事件，給全國人民上了印象極為深刻的一課：通過控制集成電路產品和技術，美國可以輕松阻擊中國的經濟發展。其深層原因是：人才是集成電路產業的第一資源，也是制約集成電路產業發展的關鍵瓶頸。2003年，教育部和科技部聯合發文《教育部、科技部關于批準有關高等學校建設國家集成電路人才培養基地的通知》（教高[2003]2號）[1]，在全國9所大學設立“國家集成電路設計人才培養基地”。

國務院2011年頒發了《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》（國發〔2011〕4號），2014年6月公布了《國家集成電路產業發展推進綱要》（以下簡稱《綱要》），2015年5月頒布了《中國制造2025》發展戰略，教育部等七部門在2016年出臺了《關于加強集成電路人才培養的意見》（教高[2016]1號），有關部門制定了一系列的政策文件，有力地推動了我國集成電路產業乃至整個半導體產業的發展和人才培養。

教育部于2001年開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業，以適應國內對集成電路設計人才的迫切需求。華中科技大學自2009年招生“集成電路設計與集成系統”本科專業，早在2008年初教育部首批第二特色建設之初即開始了“集成電路設計與集成系統”新專業培養計劃的制訂，于2009年6月完成培養計劃的制訂。

在過去的十年中，該培養計劃雖然多次小范圍調整，但總體辦學思路和課程體系均保持原樣。經過十年的運行，華中科技大學集成電路專業的畢業生得到各高校和用人企業的高度認可，證明了培養方案的可行性和科學性。以2017屆為例，集成電路設計與集成系統專業共有60人，其中出國出境4人，保送研究生13人，考取研究生19人，協議就業23人，自由職業1人。保研學生中，除了本校，基本去了北大、清華、中科院和復旦大學。

二、集成電路設計與集成系統本科專業建設原則

根據教育部提出的人才培養總體要求，在對集成電路設計與集成系統學科發展深入分析的基礎上，結合國家對人才培養的實際需要，以及本系多年教育和科研實踐，華中科技大學電子科學與技術系將該專業的本科教育定位為：在注重加強理論基礎教育的同時，實施寬口徑專業教育，增強適用性及工程應用性，培養具有良好的綜合素質、復合的知識結構和綜合能力、較強的創新精神和創新能力的高素質新型人才。

1.堅持本科教育的基礎性原則。根據華中科技大學“應用領先，基礎突破，協調發展”的方針，以及“為社會和企業培養高層次研究型及應用型復合人才”的定位，尤其是本科生仍為研究生重要生源的實際情況，強調本科階段的教學任務主要是完成本學科本專業的基礎教育，為學生進一步深造和終身學習打下堅實的基礎。此外，本學科正不斷與其他學科交叉融合，學生未來的工作幾乎不可能是“純集成電路或集成系統化”，較寬的專業基礎使學生適應能力更強，也有望在學科邊緣開展創造性工作或深入到某個應用領域中開展工作。

2.課程系統性、完備性原則。課程體系的系統性與完備性是指為實現本專業的培養目標、達到培養要求，使課程體系覆蓋專業方向所需要的盡可能多的知識點，而且各知識點之間具有連貫性、系統性和完備性。這就要求本專業的畢業生應該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。本專業的課程體系包括以下三個部分：基本理論與知識;集成電路與集成系統的設計原理、方法與技術，相關領域的集成電路應用知識。

3.注重學科交叉專業融合的原則。集成電路是各類信息產品的核心技術所在，因此本專業的基礎研究和應用研究遍及整個信息技術領域。目前信息技術領域的一個明顯趨勢是3C（計算機、通信、消費類電子）融合，一個完整的電子信息產品的開發過程可能涉及電子、計算機、通信、自動控制等多個學科領域。為了適應這一發展趨勢，在課程體系的設置上已充分考慮多學科的交叉和融合。為此，課程體系應該覆蓋電子科學與技術、計算機科學與技術、信息與通信工程等多個學科的主要知識點。

4.課程整體性優化的原則。對于基礎類課程，主要強調理論基礎知識和能力，同時盡量突顯其應用價值或潛力;對于工程和應用基礎類課程，特別強調對原理、方法、思路、發展趨勢等方面的學習和融會貫通，杜絕教學內容嚴重滯后于學科發展的不良現象。適當壓縮課堂學時，給學生更多自主學習時間。保證課程體系的整體優化，通過加強課程間的銜接和呼應，去掉重復內容;保證授課、自學、實踐相結合;依靠課堂講授技術的現代化，依靠選修課，廣泛展示本學科的新技術、新應用和新方向，為學生提供更多的選擇余地。

5.知識、能力、素質協調發展的原則。通過系統的課程學習，學生在本科階段掌握的知識基本定型，但學生如何獲取新知識以及運用所學知識解決問題的能力和學生較強業務素質的培養等方面還要求多個環節分工、配合，共同努力，包括大課講授、課后實習、課程設計、綜合實習、大學生課外科技創新、畢業設計等。此外，集成電路設計與集成系統是實踐性極強的專業，對學生實際動手能力的培養非常重要。為此，本計劃設計了多個課程設計，均綁定在系列課程之后，實驗內容一般為學生自主完成設計性和綜合性實驗。

6.從“精英”到“群英”的原則。在高等教育的后大眾化階段，“精英”教學由于受益面過小而受到來自公平與效率的拷問。這就要求制訂培養方案時要突破高校普遍存在的創新人才培養受益面窄、關注“高峰”有余而“高原”不足、學生自主學習能力缺乏等問題[2]。

7.突出工程應用的原則。本科教學應該充分考慮社會及企業的需要，某些課程的內容和實驗內容設置應具有明顯的工程特色。為了提高學生的就業競爭力，并使學生在就業后能夠盡快適應工作崗位，應該面向企業需要多開設一些實用性及工程性強的課程，并通過大量的實驗課時和實踐環節來提高學生的動手實踐能力。

三、集成電路設計與集成系統專業課程體系制定

按一級學科確定核心課程，在國內率先系統構建電子工程與計算機科學（EECS）交叉融合專業人才培養體系，集成電路設計與集成系統專業各類課程的學時數和比例見表1。本課程體系特點如下。

1.大規模增加綜合型研究性課程設計。集成電路設計是實踐性極強的學科，學生動手能力的培養尤其重要。除了教育部規定的基本實踐教學環節之外，培養方案中增加了五個綜合型研究性的課程設計。課程設計中，實施“以項目為驅動的教學（Project-Oriented-Teaching，POT）”[3]方式，強調通過團隊的合作，從立項開始，規劃并實施項目的全過程，體現“以學習者為中心”[4]的創新型集成電路人才培養目標。將課程設計、課外科技創新、生產實習、畢業設計等多個環節有機結合，形成POT模式的長線培養機制。

2.按電子科學與技術一級學科確定核心課程。電子科學與技術一級學科，其各個二級學科具有相同且相當固定的基本原理與基礎知識，把這些知識傳授給學生，并融會貫通，以“不變”應“萬變”。本培養計劃正是以此為基礎確定出一級學科核心課程集，它由基礎理論系列、專業基礎系列、專業核心系列三個主干系列課程組成，作為本專業學生的基本要求。

3.按照EECS設置學科基礎課。“計算機組成原理”、“處理器體系結構”、“信號與系統”、“嵌入式系統原理與設計”等集成系統類課程體系化，有利于系統地指導學生掌握集成電路設計基本理論、集成電路設計基本技能、計算機軟硬件系統等知識，利于培養學生從集成電路制造工藝、晶體管、模擬電路和數字電路等基本底層工藝級和電路級設計到VLSI、處理器設計及微機系統開發的能力，以構成從集成電路工藝和電路設計技術到處理器設計、計算機系統應用開發等系統知識培養的完備的人才培養體系。

4.限選課程上進行專業方向分流。“半導體器件及集成電路設計”是我系的優勢學科方向，必須保持和發揚，同時大力發展“體系結構及嵌入式系統”方向，滿足國家企業及科研院所對集成電路與系統人才的急需刻不容緩，為此設計了兩個專業方向系列課程，使不同專業方向的學生在半導體器件及集成電路設計、體系結構及嵌入式系統開發和應用的能力上各有側重。

5.寬口徑專業方向特色的任選課程集合。本計劃充分利用選修課，廣泛展示本學科的新技術、新應用和新方向，同時考慮集成電路與系統與其他學科的不斷交叉融合，讓學生有選擇的余地、求學的欲望和攻讀的樂趣，特設了一個寬口徑選修課系列。

四、集成電路設計與集成系統知識點及開設課程

集成電路設計與集成系統專業建設依托于“電子科學與技術”一級學科，以及跨信息類的“計算機科學與技術”、“信息與通信工程”、“控制科學與工程”等三個一級學科。因此，確定了本專業的五大知識模塊，并按這些知識模塊來開設專業課程。這五大知識模塊及對應課程如表2所示。

下面，以“體系結構及嵌入式系統”知識模塊為例，介紹其對應課程和授課內容。

1.計算機組成原理。授予學生計算機軟硬件中各部件的功能、組成原理等計算機系統基礎理論知識，幫助學生了解及建構一個現代計算機系統的完整概念，以培養學生對計算機硬件系統的基本分析和設計能力。

2.處理器體系結構。授予學生計算機或處理器系統結構的基本概念、基本結構、基本設計技術和分析方法，以培養學生從總體結構、系統分析這一層次來研究和分析計算機系統的能力，掌握基本的處理器系統分析和設計技術。

3.嵌入式系統原理與設計。授予學生嵌入式系統的基本概念、原理、設計原則與方法，并在嵌入式系統基礎知識的基礎上，通過典型案例培養學生的嵌入式系統應用開發能力。

4.數字集成電路可靠性設計。授予學生集成電路中有關軟錯誤概念、故障、錯誤與失效等基礎知識，從電路級、門級及體系結構級分析數字集成電路的可靠性設計技術，以便學生掌握基本的數字集成電路的可靠性分析和設計方法。

5.集成電路系統綜合探索與實踐。以數字集成電路、計算機的基本軟硬件系統為基礎，以應用為主線，結合國內外最新的前沿研究，通過具體的處理器設計和嵌入式系統開發案例，對體系結構及嵌入式系統知識點和各課程的重要知識點進行分析和串講。

五、總結

集成電路產業是信息產業的核心和基礎，對國民經濟的增長起著至關重要的作用。加強集成電路設計與集成系統本科專業建設，是眾多高校努力的目標。華中科技大學研究了國內外相關專業的課程體系后，結合本國國情，制訂了集成電路設計與集成系統專業的培養方案，希望為中國的集成電路領域培養高質量創新人才，為全國集成電路設計與集成系統本科專業的建設和改革起到示范帶頭作用。

參考文獻：

[1]教育部、科技部關于批準有關高等學校建設國家集成電路人才培養基地的通知.教高[2003]2號文件.

http：//www.moe.edu.cn/edoas/website18/level3.jsp？tablenam-

e=48&infoid=536

[2]柯佑祥，唐靜，謝冬平，張新亮，劉繼文，聶明局.從“精英”到“群英”：一流本科教學的困局與超越——華中科技大學光電信息國家試點學院教學改革的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2017，（02）：160-165.

[3]Ming Xue，Changjun Zhu.The Application of "Project-oriented" Teaching Mode in Computer Course of Advanced Vocational Education.Proceedings of the 2009 IITA International Conference on Control，Automation and Systems Engineering （case 2009）.IEEE Computer Society Washington，DC，USA，2009：652-654.

[4]瑪麗埃倫·韋默.以學習者為中心的教學：給教學實踐帶來的五項關鍵變化[M].洪崗，譯.浙江大學出版社，2006：1-5.

Research on the Undergraduate Major Training Plan of Integrated Circuit Design and Integrated System

—Taking Huazhong University of Science and Technology as an Example

ZOU Zhi-ge，ZOU Xue-cheng，LEI Jian-ming，YANG Xiao-fei

（School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：In order to encourage and support the development of China's integrated circuit industry，the government has issued a series of documents.In view of the shortage of integrated circuit talents in China，Huazhong University of Science and Technology started its undergraduate major of integrated circuit design and integrated system in 2009.Starting from the experience of many domestic universities，the establishment principles are determined.After extensive investigation of domestic and international relevant professional training programs，a unique training program is formulated.The architecture and knowledge points of embedded system are taken as an example，curriculum system and teaching contents are given out.Summarizing the achievements and experience of professional construction in the past 10 years，the training program has been highly recognized by universities and employers.

Key words：integrated circuit design and integration system;undergraduate major;curriculum system;education