電子科學與技術專業集成電路實驗教學改革

李祺 師建英 閆小兵

摘 要 集成電路系列實驗是電子科學與技術專業集成電路方向的核心實驗課程。通過與其他高校電子科學與技術專業相關課程的對比，提出普通高校在課程設置、內容深度及實驗項目上存在的問題。從硬件配置、軟件購買、教學方法、課外學習平臺及參加集成電路設計大賽等方面闡述進行教學改革的方法。

關鍵詞 集成電路實驗;電子科學與技術;教學改革;EDA

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）08-0119-03

Reformation of Integrated Circuit Experiments of Electronic Science and Technology Specialty//LI Qi， SHI Jianying， YAN Xiaobing

Abstract Series experiments of integrated circuit are the core experi-

mental courses of Electronic Science and technology specialty. Com-

pared with the similar courses of the other universities， the problems such as the curriculum setting， content depth and experimental pro-jects are proposed. The following aspects as hardware configuration， software purchase， teaching method， extracurricular learning plat-form and taking part in the integrated circuit design contest can be used to carry out teaching reform.

Key words integrated circuit experiment; electronic science and technology; teaching reform; EDA

1 引言

集成電路設計能力的培養是電子科學與技術專業集成電路設計方向人才培養的關鍵。集成電路在日常生活中到處可見，自從1959年德州儀器公司的杰克·基爾比提出世界上第一塊集成電路原型之后，集成電路芯片已經被廣泛應用于教學、民用、商用、工業及軍事等領域，成為推動電子產業發展的支撐力量。

我國的集成電路產業起步較晚，產業鏈、設計軟件和關鍵技術也相對落后。從2000年起，我國開始陸續發布各項有利于集成電路產業發展的優惠政策。2011年2月，國務院印發4號文件《國務院關于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》，提出集成電業產業是國家戰略性產業，是國民經濟的重要基礎，要繼續完善措施，明確政策導向，增強科技創新能力，提高產業發展質量和水平。2014年6月，國務院發布《國家集成電路產業發展推進綱要》，明確提出重點支持集成電路制造領域。

為了適應集成電路產業的飛速發展以及企業對集成電路設計人才的需求，教育部2003年下發的2號文件《教育部、科技部關于批準有關高校建設國家集成電路人才培養基地的通知》提出，要為企業培養高水平實用化的集成電路設計人才。

現階段，大學生就業已經成為一個全民關注的社會問題[1]。高等學校在集成電路設計、制造和生產等方面的人才培養過程中，不僅要重視理論知識的講授，更要注重學生實驗實踐能力的提升。實驗教學是高校創新教育和校企合作育人機制在人才培養過程中不可或缺的組成部分[2]。如何讓本科生在學校學習到足夠的知識，且能夠將理論知識與生產實踐有機結合起來，擁有足夠的實戰經驗和教訓總結，是集成電路人才培養過程中提高畢業生就業競爭力必須要解決的重要問題。

2 鼓勵教師外出調研 加快教學改革進程

集成電路產業的迅猛發展，使企業對畢業生的理論知識、動手能力和實踐能力都提出更高的要求。這迫使高校在人才培養方面要與時俱進，為迎合市場需求而不斷改進教學方案和人才培養計劃，不能閉門造車。高校要鼓勵教師走出去，到企業去提高自身的實踐水平，去調研公司需要人才掌握的專業技能和知識分類量化[3]，將企業的需求與所開設的課程進行對比，及時調整授課內容，刪減過時或與實際需求結合不緊密的課程學時，有針對性地增加設計型和應用型課程，使畢業生經過較短的培訓就能勝任公司的工作，提高就業率;要鼓勵教師到國內外高校特別是名校去調研或進修，了解它們相同專業的課程設置和具體的授課內容。通過進修學習，教師不僅可以提高講課水平，找到自身存在的不足，更能開闊眼界，與所在高校相關課程的教學過程相對比，發現其中的不足之處，對教學過程和課堂教學環節進行重新思考，對教學方法、教學內容等項目的改革提出自己的見解。

3 集成電路系列實驗所存在的問題

這里以河北大學為例，闡述普通高校集成電路實驗教學過程中可能存在的問題。筆者經過在北京工業大學兩個月的交流探討和在北京理工大學半年的進修學習，通過與相關教師的交流探討，對比發現，普通高校對學生集成電路設計核心能力的培養不明確，對人才培養目標定位比較模糊[4]。經過調查研究，多數高校開設的集成電路方向的專業課程都包括數字集成電路原理與設計、數字集成電路課程設計、數字集成電路實驗、模擬集成電路原理與設計、模擬集成電路實驗或課程設計、集成電路版圖設計及版圖實驗等。普通高校所開設的理論課程內容廣度和深度都有所欠缺，導致實驗項目簡單，形式單一。理論知識是實驗操作的前提，如果理論知識匱乏，實驗教學就是空談。下面以河北大學為例來加以說明。

河北大學開設的數字集成電路原理與設計的理論課時為68學時，實驗課時為18學時，課程設計課時為期一周。理論課程的內容稍顯陳舊，對雙極型器件及工藝介紹偏多，對CMOS器件及工藝介紹相對偏少，對可測性設計部分草草帶過，對流水線部分未加介紹。實驗課時偏少，使用的EDA工具落后，實驗內容偏向于基本數字電路單元的性能分析，未將有關數字前端設計部分的Verilog/VHDL語言的代碼編寫、仿真及綜合等內容加入進來。這讓學生對數字前端設計的認識僅限于書本上的介紹，沒有親身體會其設計流程，學習效果差。

模擬集成電路原理與設計的理論課時為34學時，課程設計課時為期一周。由于理論課程學時太短，對典型的模擬電路模塊如運算放大器、基準電壓源、ADC及DAC電路等部分的講解深度不夠。由于沒有配套的實驗課程，導致學生沒有機會理清模擬集成電路設計過程中需要考慮的問題，不清楚應該從哪些問題開始入手，如何將手工計算結果與軟件仿真結果相對比，以及如何優化電路的仿真結果以滿足技術指標的要求等，無法將理論內容轉化為實踐知識。

集成電路版圖設計的理論課時為26學時，實驗學時為18學時。由于任課教師沒有真正參與過具體的工程項目，而該門課程的性質又與實際聯系得特別緊密，造成教師在授課過程中對相關知識理解得不深入、不透徹，講解得不到位、不全面。這需要學校為教師提供進一步提升理論水平和實踐水平的機會，才能更好地教授學生。其實驗課程同樣由于所使用的EDA工具不是行業內最流行的軟件，無法讓學生更加清楚地理解元件版圖的含義[5]，無法讓學生掌握修改版圖設計中的設計規則錯誤以及LVS（電路圖與版圖的一致性檢查）錯誤的方法，開設的實驗課程內容不能很好地激發學生的學習興趣，使實驗教學流于表面，不夠深入。

4 實驗課程教學改革

鑒于以上集成電路方向一系列的實驗教學中存在的問題，可以從以下幾個方面來加以改進，以加強教學效果，激發學生學習興趣。

硬件、軟件要跟上 河北大學“光伏技術虛擬仿真實驗教學中心”于2016年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心，集成電路系列實驗是光伏技術虛擬仿真教學中心的重要組成部分。以此為契機，學校已購買用于安裝主流集成電路設計EDA工具的服務器及工作站，Linux操作系統也已安裝完成，加上實驗室原來的設備，從硬件上已經對實驗的教學改革做好準備。

軟件方面需要在服務器上安裝集成電路設計EDA工具及工藝PDK文件。很多EDA軟件公司有專門針對高校的大學計劃，高校購買相關軟件的價格也相對要便宜很多[6]。目前，業內主流的集成電路設計軟件為Cadence系列軟件。Cadence IC Design是一個完整的全定制設計平臺，包括Schematic Composer（電路圖設計）、Spectre（仿真）、Virtuoso（版圖編輯工具）及Assura、Dracula、Diva（三個都是物理驗證工具）等。軟件的購買及安裝工作已經與相關廠商進行商談，學校也已提供相應的經費支持。工藝PDK文件需要跟foundry聯系，如SMIC（中芯國際）、TSMC（臺積電）、華潤上華等，也可聯系MPW（多項目晶圓）中間商來拿到PDK文件。

改進教學方法 為了提高面向集成電路設計學生的專業競爭力，就必須對集成電路方向的教學體系設置進行改革，延長學生實際動手操作時間，讓學生親身體會設計的整個流程[7]。在有限的實驗學時背景下，為了提高學習質量，可以將實驗教學與課堂教學有機結合起來，將與實際應用聯系緊密、通過動手操作更易于理解的教學內容放在實驗室來講解。教師可以把驗證型實驗題目融進課堂，在講解到與實驗題目相應的知識點時，先將該知識點詳細講解一遍，說明其中需要注意的細節，然后讓學生在課堂上完成相應的實驗操作，鼓勵學生嘗試自己解決實驗過程中遇到的困難和問題，體現學習的成就感。在真正的實驗教學環節，應逐漸減少甚至取消驗證型實驗題目，增大綜合型、設計型實驗項目的比重，在有限的實驗教學時間內讓學生有更多的機會學習到更多的實踐經驗。

河北大學目前已經將集成電路版圖設計的理論教學放進實驗室授課。這種靈活的教學方式不但可以促進知識的同步消化，而且加快了將理論知識轉化為實踐經驗的步伐。教師也可以將工程案例或自己的科研項目貫穿于課程的理論、實驗和作業中，通過具體的案例教學使學生掌握集成電路的前端和后端設計流程[8]。

加強課堂外學習資源建設 基于河北大學“光伏技術虛擬仿真實驗教學中心”平臺，繼續探索開發形式多樣的網絡實驗教學模式。將Cadence工具的基本操作方法、CMOS集成電路典型的前端/后端設計流程、所需的知識儲備、反向設計的版圖影像、版圖的層次以及容易出錯實驗項目的實驗過程等，以圖片、PPT、動畫、視頻及MOOC的形式展現在網絡平臺上，以有效減少教師的重復講解，提高課堂效率，讓學生對相關知識獲得更直觀、更準確的認識。

通過積極參賽提高學生實踐能力 當集成電路設計硬件、軟件都已落實，且相關實驗開設基本成熟之后，教師可以帶領學生參加校內外的集成電路設計大賽。在外出參賽之前，可以先組織學生參加校級的電子設計競賽，通過查閱資料、小組討論、網絡詢問及向資深教師或企業工程師請教等途徑，發現并解決所遇到的問題，積累比賽經驗。

由北京市教委和北京電子學會主辦的全國大學生集成電路設計大賽至2018年已成功舉辦八屆，已成為國內這一領域最有影響力的賽事之一。大賽的主要目的在于發現和培養優秀的集成電路設計人才，促進高校與企業的深入合作和交流，提高學生的動手實踐能力和創新能力。從未參加過此類比賽的普通高校要勇于嘗試，克服恐懼心理，在參賽過程中積極向其他團隊學習，了解其設計特點及優勢，找到自身不足，總結出提升自身能力的辦法。通過參賽，學生經歷從電路設計、版圖設計到驗證甚至流片測試的各個環節，提高綜合訓練能力[9]。

5 結語

集成電路方向開設的系列實驗是電子科學與技術專業培養和提高學生動手動腦能力的重要實驗課程。通過與國內其他高校電子科學與技術專業集成電路方向實驗課程的對比，提出普通高校可能存在的問題以及解決問題的方法。對集成電路系列實驗進行改革，可以讓學生接觸到集成電路行業內流行的EDA設計軟件，清晰了解集成電路前端設計和后端設計的流程，掌握從電流設計到版圖設計的各個環節及需要注意的問題，提高學習質量，為更好地就業做好充分的準備。教學改革應該是與時俱進的，學校應鼓勵更多的教師到企業和高校去參觀、交流、訪問和學習，以便更好更全面地進行教學改革，進一步明確和突出人才培養的目標，為培養就業型和科研型畢業生而努力。

參考文獻

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[9]施敏，張振娟，黃靜，等.集成電路版圖CAD課程實踐教學的研究[J].中國現代教育裝備，2014（3）：43-44，47.

基金項目：河北大學研究生示范課程建設項目“電子科學與技術一級學科專業英語示范課程建設”（201701）;河北省自然科學基金資助項目“Li2FeSiO4正電極材料的水熱生長動力學與電化學特性調控研究”（F2017201130）;國家杰出青年基金資助項目“光熱耦合電源器件建模及基礎問題研究”（61204079）;河北省研究生示范課程建設項目“電子科學與技術一級學科專業英語示范課程建設”（KCJSX2018003）。

作者：李祺，河北大學電子信息工程學院;師建英，通訊作者，河北大學電子信息工程學院，講師，研究方向為電路設計及集成電路設計;閆小兵，通訊作者，河北大學電子信息工程學院，教授，研究方向為阻變材料和阻變存儲器的研究（071002）。