數字集成電路課程教學改革探索

韓宋佳，劉洪山

（華南農業大學電子工程學院（人工智能學院）廣東 廣州 510624）

集成電路已成為支撐現代經濟社會發展的戰略性、基礎性和先導性產業，是引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵力量，已成為全球各國在高科技競爭中的戰略制高點[1-2]。為了促進我國本土集成電路的發展，我國高度重視集成電路行業的人才培養。高校作為人才培養的主陣地，應緊密結合集成電路行業的產業發展需求，及時調整課程設置、教學計劃和教學方式，對培養復合型、實用型的高水平集成電路人才，提升我國集成電路行業的國際競爭力，具有重要的意義[3-4]。

1 數字集成電路課程教學內容探析

本專業數字集成電路設計課程選擇朱恩、胡慶生編的《專用集成電路設計》一書作為主用教材，參考輔材選擇王志功和沈永朝編寫的《集成電路設計基礎》。課程理論學時共48 學時（含VR 教學6 學時，產學研教學4 學時），實驗教學共16 學時。其中教學主要內容包括：集成電路概述、集成電路工藝及版圖、金屬氧化物半導體（MOS）晶體管電路基礎、常用互補金屬氧化物半導體(CMOS)數字集成電路、系統級電路設計、集成電路測試、集成電路模擬與驗證，教學內容涵蓋數字集成電路的基本理論知識、常用邏輯電路仿真及邏輯電路版圖設計軟件實踐應用等方面。

基礎理論教學內容，主要從構成集成電路的最基本半導體器件MOS 晶體管的基本制造工藝、版圖設計規則和基本物理電學特性（轉移特性、輸出特性等）出發，然后進一步介紹構成CMOS集成電路的幾種基礎邏輯門電路，如反相器、靜態邏輯門電路、動態邏輯門電路等，使學生了解并掌握如何通過CMOS 晶體管實現基本邏輯運算。隨后再進入系統級集成電路設計部分，包括半定制設計和全定制設計，學生了解并掌握不同設計路線的優缺點以及適用的設計對象。隨后，介紹集成電路測試和可測性設計，學生了解集成電路測試流程以及常見的測試向量生成和可測性設計基本原理。最后，介紹集成電路設計過程中用到的模擬驗證軟件。

結合授課內容，針對傳統的理論教學方式，在課堂教學中引入VR 教學和實驗教學。將理論教學中集成電路的最基本半導體器件MOS晶體管的基本制造工藝，改為VR教學模式，利用虛擬仿真技術，為學生提供更為真實的集成電路行業生成制造流程。而對第八章集成電路設計軟件，選擇實驗教學模式，通過實驗的方式，使學生熟悉常見的電路仿真軟件使用，并完成基本邏輯電路的仿真計算。同時構建產學研融合的教學模式，結合學校所在大灣區的電子信息產業鏈條優勢，邀請集成電路行業頭部企業技術專家作為企業導師開展培訓講座，增加學生與行業最前端的交流機會，使學生了解課程在行業中的實際應用，學習更有目的性和針對性。整個課程設置多樣化，包含理論教學、VR 教學、實驗教學和企業實踐四個模塊，從而構建更適應集成電路行業發展需求的“新型集成電路專業人才”培養的綜合實踐教學體系。

2 數字集成電路課程教學方法探析

2.1 理論教學

在理論教學過程中，傳統的教學方式往往是老師幾乎全程講授，雖然教師可以通過提問增加課堂的互動性，但大部分學生仍然長時間處于被動聽講狀態，課堂互動性差，學生學習積極性不高[5]。因此，在本教學改革過程中，首先通過引入多元的教學模式，改變傳統的教師講授，學生被動聽講的授課方式，讓學生更多地參與到課堂學習中。具體模式如下：

①對于集成電路行業的概述，因為“數字集成電路”的前置課程“半導體物理”“數字電路”和“模擬電路”等課程中都有所涉及，因此可以選擇通過學生分組進行課堂報告+教師補充完善的教學形式，由學生來介紹集成電路行業從第一個晶體管的發明到現在由數億個晶體管構成的集成電路芯片的歷程，介紹集成電路行業制造工藝、器件結構和電路設計的發展特點和未來趨勢。通過課堂報告的形式，一方面學生可以在收集資料過程中加深對集成電路行業的了解，另一方面，通過對比講述國內外集成電路行業的發展現狀，學生可以深入了解到我國集成電路目前的發展現狀與不足，潛移默化地激發學生的愛國熱情和奮斗精神，從而將思政教育融入課堂知識中。

②另一方面，對于晦澀難懂的理論概念，教師可以采用多媒體形式課件，增加小動畫或者小視頻，使理論知識的講述更為清晰明了，讓學生能夠更好地了解并掌握理論知識概念。

③此外還可以引入分組討論加辯論的模式。例如，在集成電路系統級設計部分的半定制設計的授課過程中，可以將學生分為門陣列小組、標準單元小組、現場可編程門陣列（FPGA）小組等，通過小組討論，學生可以了解并掌握不同集成電路設計方法的優缺點，以及根據不同的集成電路設計要求，選擇合適的集成電路設計方法。

2.2 VR 教學

集成電路生產制造包含氧化工藝、離子注入、光刻、薄膜沉積等工藝，一條完整的集成電路生產線需投入上億甚至更高的資金。集成電路制造所涉及的儀器多為大型儀器，需專門的技術人員管理，學生需要經過培訓考核才可使用儀器。且集成電路制造實驗室為潔凈間，每年實驗室場地維護、各種儀器的日常運行和維護都需要大量的人力與財力的投入[6]。因此，學校很難建設一條用于本科教學的集成電路加工產線。在缺乏實驗室的情況下，學生對集成電路制造過程中涉及的各種微納加工工藝往往缺乏直觀的了解。雖然可通過課堂播放視頻的形式，對集成電路制造工藝進行介紹，但視頻多以科普介紹為主，學生很難直觀了解到集成電路制造過程中各種因素對器件結構及性能的影響。

本課程結合學院建設的集成電路虛擬仿真實驗室（包含集成電路制造和半導體表征測試），將原本課堂理論教學的集成電路工藝改為VR 實踐教學，學生可以在虛擬平臺進行晶圓制造、蒸鍍薄膜、離子注入、擴散、光刻、刻蝕、磁控濺射等工藝操作，完成芯片制造流程。并且可以對制造過程中各項工藝的關鍵參數進行簡單調控，從而獲得具有不同電學性能的產品。并通過VR 實踐教學中包含的半導體表征測試對產品性能進行表征。VR 實踐教學使學生不僅能夠掌握基本的微納加工工藝技術和制造流程，而且學生可以更為直觀地了解到器件制造工藝如何影響半導體器件性能，從而與理論課教學中晶體管基本物理性能部分相聯系，使理論教學內容得到再次鞏固。

2.3 實驗教學

集成電路設計作為實踐性和應用性極強的行業，要求學生除了掌握基本的電路理論知識和分析技能以外，還需了解集成電路設計常用的幾種EDA 工具。因此，在教學課程設置中，選擇Spice 電路仿真和版圖設計作為實驗教學課程。Spice 作為最早的電子設計自動化軟件，截至今天仍然廣泛地被應用在集成電路設計領域。例如精確數字電路（例如延時、時序、功耗、漏電流等），建立SoC 的時序及功耗單元庫，分析系統級的信號完整性。具體實驗內容如表1（p91）所示，對應理論教學第二章版圖設計規則、第四章基本CMOS 邏輯門、第八章集成電路模擬與驗證。使學生能夠掌握基本的電路仿真軟件Spice和華大九天版圖軟件的使用。同時通過設計驗證實驗，學生在對電路拓撲結構設計和關鍵電路參數（溝道尺寸、電容大小、晶體管模型等）的設置優化過程中，可直接觀察到相對應的電路輸出曲線變化。相較于理論教學中的文字、公式解釋，采用仿真實驗教學可以使學生通過調整電路關鍵參數指標，誘導電路輸出波形變化，更為直觀地了解電路工作模式和電路分析方法，對電路設計有初步的學習和理解，并且能夠激發學生思考的動力，從傳統理論教學模式下的被動型電路分析學習，轉化為主動學習過程。并通過與前期的理論教學相結合，使學生對電路基本理論概念的掌握再次得到鞏固，從而提高數字集成電路課程的教學效果。

表1 數字集成電路設計課程實驗

2.4 企業實踐交流

聘請企業導師走進課堂，使原本理論化的集成電路教學能聯系企業實際應用需求。在課堂教學中，企業導師結合自身工作中的真實案例，介紹集成電路行業最新發展技術與行業發展前景；學生則從企業的角度出發，了解集成電路行業最新的發展需求和不同崗位的職業能力要求，更好地規劃自己未來的職業發展方向，不斷提升專業知識與技能。另外，假期期間組織學生進入企業，參與集成電路設計等企業實訓營項目，學生在企業導師的指導下獨立查閱資料、設計、安裝和調試實現功能的代碼文件。實訓課程主要包括：“常用外設及其應用實踐”“藍牙Wi—Fi共存抗干擾策略”“人臉識別原理及其應用”“Matter 協議入門到應用”。

通過企業實訓，一方面學生可以接觸到真實的工作環境和項目，另一方面，實訓過程中學生通過共同合作，解決項目難題，不僅使學生的專業知識得到鞏固，提升其動手實踐能力，而且能夠加強學生的團隊合作能力。

3 結束語

數字集成電路課程教學方式的改革，將原本抽象枯燥的單一性傳統課堂理論教學轉變為包含理論教學、VR 教學、實驗教學、企業實踐的多元化教學模式，增加了課程學習的實操性和互動性，有效地激發了學生對本門課程的學習興趣，提高了學生的實際應用能力，使學生對數字集成電路專業知識的掌握更為扎實。在此基礎上，后續將進一步融合線上線下混合式教學，繼續優化課程教學模式，并逐步探索將該方案應用于模擬集成電路設計課程。