高校集成電路設(shè)計教學(xué)思考

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0引言

高校專業(yè)及課程的設(shè)置應(yīng)該與社會發(fā)展相適應(yīng)，才能更好地發(fā)揮學(xué)校的功能，源源不斷地為相關(guān)產(chǎn)業(yè)輸送所需的人才，推動社會快速地發(fā)展。《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》明確指出：“集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前和今后一段時期是我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅期。”因此，高校有必要加大集成電路相關(guān)專業(yè)及課程的改革力度，以滿足國家集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

1集成電路設(shè)計相關(guān)教學(xué)的重要性

雖然改革開放以來，我們國家在幾乎各個領(lǐng)域都取得了舉世矚目的成就，甚至很多高技術(shù)電子產(chǎn)品也都可以自主研發(fā)。但是事實上，由于我們自己不能自主設(shè)計制造作為核心技術(shù)的集成電路，必須從國外購買，所以一方面給我們的國防、關(guān)鍵基礎(chǔ)行業(yè)等增加了不可預(yù)知的風(fēng)險，另一方面也使我們相關(guān)產(chǎn)業(yè)的公司利潤極低，極大地制約了其發(fā)展。客觀地講，我國在集成電路技術(shù)研究方面的起步不算太晚，但是由于各種原因，前期進(jìn)展緩慢，相反歐美日等發(fā)達(dá)國家卻抓住契機(jī)飛速發(fā)展，因此導(dǎo)致我們與這些發(fā)達(dá)國家的差距越來越大。1999年從德國學(xué)成歸來的王志功教授起草了《關(guān)于國家設(shè)立集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)專項基金，開展中國芯片工程的建議》，呈送給中央相關(guān)部委，得到了李嵐清副總理等中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，進(jìn)而制定了正確的發(fā)展戰(zhàn)略，從而使我國在集成電路領(lǐng)域掀起一輪研究熱潮。經(jīng)過十余年的發(fā)展、積累，我國集成電路相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善，且培養(yǎng)了大批具有相關(guān)知識背景的高素質(zhì)人才。隨后，國家也在政策資金等方面，不失時機(jī)地給以引導(dǎo)培育?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》《、電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《、集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中強(qiáng)調(diào)了要大力發(fā)展集成電路。尤其，在2014年6月工業(yè)和信息化部公布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，并隨后設(shè)立了“國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”。高校肩負(fù)著為社會輸送所需的高素質(zhì)人才的使命，因此為了配合國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大戰(zhàn)略，高校應(yīng)該及時了解集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才素質(zhì)的需求變化，不斷審查、完善、革新集成電路相關(guān)的課程及教學(xué)。

2集成電路設(shè)計相關(guān)課程配置的協(xié)調(diào)性

無生產(chǎn)線設(shè)計模式稱為大陸集成電路產(chǎn)業(yè)的基本模式，更具體地講，當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)主要分為設(shè)計、制造、封裝和測試幾個相對獨立的部分，相應(yīng)地，高校就應(yīng)該設(shè)立相應(yīng)的專業(yè)方向及課程，使學(xué)生能夠掌握相應(yīng)的專業(yè)技能，以便于畢業(yè)后能夠勝任相關(guān)領(lǐng)域的工作。然而，作為一個大學(xué)生來講，由于大學(xué)期間課程學(xué)時有限，不可能僅僅通過課堂的學(xué)習(xí)掌握所有知識，所以應(yīng)該有針對性地、系統(tǒng)地協(xié)調(diào)相關(guān)課程的學(xué)期安排及課程類型安排，一方面要保證每一方向課程體系的完整連貫性，另一方面又能給學(xué)生以足夠的自由選修其它的相關(guān)方向的課程。比如，大一可以安排認(rèn)知實習(xí)或相關(guān)課程，通過深入淺出的講解，可以讓學(xué)生對整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈及技術(shù)鏈有一個宏觀的系統(tǒng)認(rèn)識，也利于學(xué)生有目的性地選擇感興趣的、想深入學(xué)習(xí)研究的專業(yè)方向及其所需的相應(yīng)課程；大二、大三則應(yīng)該安排一些專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)選修課，一方面要考慮到覆蓋面、保證每個方向的課程完整性，另一方面要確保課程安排的順序正確，課程類型合適；大四可以安排方向性更強(qiáng)的專業(yè)限選課及畢業(yè)設(shè)計。集成電路設(shè)計、制造、封裝和測試又是密不可分的，王志功教授認(rèn)為一個合格的集成電路設(shè)計人員應(yīng)該具備系統(tǒng)、電路、器件、工藝及工具幾個方面的知識。下面我們主要從具有代表性的集成電路設(shè)計角度來討論。具體到特定高校，特別是集成電路相關(guān)專業(yè)開設(shè)時間不長的高校，由于學(xué)科及課程設(shè)置的歷史原因以及集成電路相關(guān)師資力量、實驗環(huán)境建設(shè)需要時間周期較長，所以不可能一蹴而就地開設(shè)所有相關(guān)的課程。通常，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)專業(yè)比較強(qiáng)的院系課程會偏重系統(tǒng)、電路以及工具等，而傳統(tǒng)微電子專業(yè)比較強(qiáng)的院系則課程會更偏重工藝、器件、電路及工具等。總而言之，電路及其設(shè)計工具是集成電路設(shè)計的核心知識，因此我們也將以其為核心來討論，兼顧一下其它相關(guān)的課程。

3集成電路設(shè)計相關(guān)教學(xué)的實施建議

從目前大學(xué)本科教育來看，集成電路設(shè)計相關(guān)的課程大體可以分為三類：模擬集成電路設(shè)計、數(shù)字集成電路設(shè)計、可編程邏輯器件的開發(fā)。至于射頻/微波集成電路設(shè)計、光纖/超高速集成電路設(shè)計以及功率集成電路設(shè)計，設(shè)計流程及工具基本類同于模擬集成電路設(shè)計，但需要更專的專業(yè)知識，比較適合作為大四的專業(yè)限選課，甚至研究生的專業(yè)課程。圖1給出了集成電路相關(guān)課程的簡略關(guān)系。ARM/DSP/單片機(jī)等嵌入式設(shè)計雖然傳統(tǒng)上不被包括進(jìn)集成電路設(shè)計的范疇，但是兩者存在很大相關(guān)性，且目前很多CPLD/FPGA器件中也包含各種類型可配置的處理器核，因此在也把嵌入式開發(fā)加了進(jìn)去。需要說明的是，圖1所示的課程名在不同學(xué)校的可能有不同的叫法，其實即使名稱相同的課程所講授的內(nèi)容也可能不盡相同，甚至大相徑庭。模擬集成電路設(shè)計相關(guān)課程在各高校應(yīng)該差異不大，一般都是先開設(shè)了模擬電路設(shè)計，然后再開模擬集成電路設(shè)計，當(dāng)然通常都是CMOS模擬集成電路設(shè)計。關(guān)于數(shù)字集成電路設(shè)計，雖然可能各高校的課程名甚至教材名稱也很相近，但課程或教材講授的內(nèi)容卻可能差別很大，有些偏重于底層電路邏輯，有些偏重于上層硬件描述語言，還有些可能偏重于EDA工具的使用。如果從產(chǎn)業(yè)對數(shù)字集成電路人才需求的角度來看，由于數(shù)字集成電路自動化程度很高，除了標(biāo)準(zhǔn)單元庫或光纖/超高速集成電路等特殊設(shè)計外，基本上都是靠硬件描述語言甚至更高級的語言通過自動化綜合一步一步實現(xiàn)的，很少直接接觸到底層的邏輯實現(xiàn)，所本科數(shù)字集成電路教學(xué)應(yīng)該偏重實用的硬件描述語言和自動化設(shè)計原理及工具，以適應(yīng)EDA技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)的需求。關(guān)于CPLD/FPGA可編程邏輯器件的開發(fā)，實際上其前端流程與基于標(biāo)準(zhǔn)單元的數(shù)字集成電路設(shè)計的前端流程基本相同，所以相關(guān)課程可以共享，而對于后端設(shè)計則差異較大，不過從所需知識來講，數(shù)字集成電路后端步驟更全面，CPLD/FPGA器件的后端開發(fā)相當(dāng)于前者的有限簡化。通常在開發(fā)數(shù)字集成電路時，也經(jīng)常采用CPLD/FPGA器件來驗證。集成電路與CAD課程其實是與模擬集成集成電路設(shè)計和數(shù)字集成電路設(shè)計相配套的仿真工具相關(guān)的理論及實踐課程，講解集成電路電路設(shè)計的詳細(xì)流程及每個步驟的作用及原理；講授集成電路相關(guān)的描述語言比如模擬集成電路的SPICE語言，數(shù)字集成電路的Verilog/VHDL語言；讓學(xué)生熟悉常用軟件，如Cadence、Synopsys公司集成電路設(shè)計軟件的操作；能用這些工具仿真驗證模擬集成集成電路設(shè)計和數(shù)字集成電路設(shè)計理論課程所講授的電路理論，或者可以利用EDA工具結(jié)合所學(xué)到的集成電路理論，設(shè)計簡單的集成電路，達(dá)到理論與實踐的統(tǒng)一。總而言之，個人認(rèn)為集成電路設(shè)計相關(guān)課程教學(xué)要注意以下幾點：

1）注意課程體系設(shè)置的協(xié)調(diào)性。一方面要避免知識體系彼此斷裂，另一方面也要避免不同的課程所講授的內(nèi)容重疊過多。當(dāng)然適度的內(nèi)容交叉有利于課程之間的銜接，且如果課程有涉及較多相同內(nèi)容的話，也可以在內(nèi)容難度上拉開差距。

2）要注意理論課程與實踐課程的結(jié)合。集成電路設(shè)計的工程性極強(qiáng)，一方面要注意理論學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性與實用性，另一方面理論必須與實踐結(jié)合才不至于僵化變成死知識。當(dāng)然由于流片成本很高、周期很長，所以這里的實踐更多指的是仿真驗證。

3）要及時更新教材及授課內(nèi)容。雖然電路的基本理論大體已經(jīng)成熟，但是由于集成電路工藝以及工具發(fā)展日新月異，所以授課的內(nèi)容就應(yīng)該緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。比如，目前從C語言到Verilog語言的高級綜合已經(jīng)成熟并市場化，那么課堂教學(xué)就應(yīng)該包括這些內(nèi)容。

4）鼓勵學(xué)生假期去實習(xí)或參加研究生的科研項目。

4小結(jié)

我國正處在集成電路發(fā)展的黃金時期，高校應(yīng)該把握時機(jī)加大集成電路師資力量和實驗環(huán)境的投入，努力優(yōu)化集成電路相關(guān)的課程體系、積極更新授課內(nèi)容以滿足日新月異的集成電路產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)人才的需求。集成電路設(shè)計在整體集成電路相關(guān)的幾個方向中占據(jù)著重要的地位，本文深入探討了集成電路設(shè)計相關(guān)的課程設(shè)置及授課內(nèi)容等相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合自己多年的教學(xué)實踐及思考給出了建議。

作者：張長春 單位：南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院