高校集成電路設計教學思考
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0引言
高校專業(yè)及課程的設置應該與社會發(fā)展相適應，才能更好地發(fā)揮學校的功能，源源不斷地為相關產業(yè)輸送所需的人才，推動社會快速地發(fā)展?！秶壹呻娐樊a業(yè)發(fā)展推進綱要》明確指出：“集成電路產業(yè)是信息技術產業(yè)的核心，是支撐經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)，當前和今后一段時期是我國集成電路產業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期和攻堅期?！币虼?，高校有必要加大集成電路相關專業(yè)及課程的改革力度，以滿足國家集成電路產業(yè)的發(fā)展需求。
雖然改革開放以來，我們國家在幾乎各個領域都取得了舉世矚目的成就，甚至很多高技術電子產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計制造作為核心技術的集成電路，必須從國外購買，所以一方面給我們的國防、關鍵基礎行業(yè)等增加了不可預知的風險，另一方面也使我們相關產業(yè)的公司利潤極低，極大地制約了其發(fā)展?？陀^地講，我國在集成電路技術研究方面的起步不算太晚，但是由于各種原因，前期進展緩慢，相反歐美日等發(fā)達國家卻抓住契機飛速發(fā)展，因此導致我們與這些發(fā)達國家的差距越來越大。1999年從德國學成歸來的王志功教授起草了《關于國家設立集成電路設計人才培養(yǎng)專項基金，開展中國芯片工程的建議》，呈送給中央相關部委，得到了李嵐清副總理等中央領導的高度重視，進而制定了正確的發(fā)展戰(zhàn)略，從而使我國在集成電路領域掀起一輪研究熱潮。經過十余年的發(fā)展、積累，我國集成電路相關的產業(yè)鏈逐漸完善，且培養(yǎng)了大批具有相關知識背景的高素質人才。隨后，國家也在政策資金等方面，不失時機地給以引導培育?！秶抑虚L期科學和技術發(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》《、集成電路產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中強調了要大力發(fā)展集成電路。尤其，在2014年6月工業(yè)和信息化部公布了《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》，并隨后設立了“國家集成電路產業(yè)投資基金”。高校肩負著為社會輸送所需的高素質人才的使命，因此為了配合國家集成電路產業(yè)發(fā)展的大戰(zhàn)略，高校應該及時了解集成電路產業(yè)發(fā)展對人才素質的需求變化，不斷審查、完善、革新集成電路相關的課程及教學。
2集成電路設計相關課程配置的協調性
無生產線設計模式稱為大陸集成電路產業(yè)的基本模式，更具體地講，當前集成電路產業(yè)主要分為設計、制造、封裝和測試幾個相對獨立的部分，相應地，高校就應該設立相應的專業(yè)方向及課程，使學生能夠掌握相應的專業(yè)技能，以便于畢業(yè)后能夠勝任相關領域的工作。然而，作為一個大學生來講，由于大學期間課程學時有限，不可能僅僅通過課堂的學習掌握所有知識，所以應該有針對性地、系統(tǒng)地協調相關課程的學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，另一方面又能給學生以足夠的自由選修其它的相關方向的課程。比如，大一可以安排認知實習或相關課程，通過深入淺出的講解，可以讓學生對整個集成電路產業(yè)鏈及技術鏈有一個宏觀的系統(tǒng)認識，也利于學生有目的性地選擇感興趣的、想深入學習研究的專業(yè)方向及其所需的相應課程；大二、大三則應該安排一些專業(yè)基礎課及專業(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的專業(yè)限選課及畢業(yè)設計。集成電路設計、制造、封裝和測試又是密不可分的，王志功教授認為一個合格的集成電路設計人員應該具備系統(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計角度來討論。具體到特定高校，特別是集成電路相關專業(yè)開設時間不長的高校，由于學科及課程設置的歷史原因以及集成電路相關師資力量、實驗環(huán)境建設需要時間周期較長，所以不可能一蹴而就地開設所有相關的課程。通常，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)專業(yè)比較強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)比較強的院系則課程會更偏重工藝、器件、電路及工具等?？偠灾?，電路及其設計工具是集成電路設計的核心知識，因此我們也將以其為核心來討論，兼顧一下其它相關的課程。
3集成電路設計相關教學的實施建議
從目前大學本科教育來看，集成電路設計相關的課程大體可以分為三類：模擬集成電路設計、數字集成電路設計、可編程邏輯器件的開發(fā)。至于射頻/微波集成電路設計、光纖/超高速集成電路設計以及功率集成電路設計，設計流程及工具基本類同于模擬集成電路設計，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課程的簡略關系。ARM/DSP/單片機等嵌入式設計雖然傳統(tǒng)上不被包括進集成電路設計的范疇，但是兩者存在很大相關性，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)加了進去。需要說明的是，圖1所示的課程名在不同學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容也可能不盡相同，甚至大相徑庭。模擬集成電路設計相關課程在各高校應該差異不大，一般都是先開設了模擬電路設計，然后再開模擬集成電路設計，當然通常都是CMOS模擬集成電路設計。關于數字集成電路設計，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。如果從產業(yè)對數字集成電路人才需求的角度來看，由于數字集成電路自動化程度很高，除了標準單元庫或光纖/超高速集成電路等特殊設計外，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的，很少直接接觸到底層的邏輯實現，所本科數字集成電路教學應該偏重實用的硬件描述語言和自動化設計原理及工具，以適應EDA技術的發(fā)展及產業(yè)的需求。關于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準單元的數字集成電路設計的前端流程基本相同，所以相關課程可以共享，而對于后端設計則差異較大，不過從所需知識來講，數字集成電路后端步驟更全面，CPLD/FPGA器件的后端開發(fā)相當于前者的有限簡化。通常在開發(fā)數字集成電路時，也經常采用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計和數字集成電路設計相配套的仿真工具相關的理論及實踐課程，講解集成電路電路設計的詳細流程及每個步驟的作用及原理；講授集成電路相關的描述語言比如模擬集成電路的SPICE語言，數字集成電路的Verilog/VHDL語言；讓學生熟悉常用軟件，如Cadence、Synopsys公司集成電路設計軟件的操作；能用這些工具仿真驗證模擬集成集成電路設計和數字集成電路設計理論課程所講授的電路理論，或者可以利用EDA工具結合所學到的集成電路理論，設計簡單的集成電路，達到理論與實踐的統(tǒng)一?？偠灾?，個人認為集成電路設計相關課程教學要注意以下幾點：
1）注意課程體系設置的協調性。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容重疊過多。當然適度的內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容的話，也可以在內容難度上拉開差距。
2）要注意理論課程與實踐課程的結合。集成電路設計的工程性極強，一方面要注意理論學習的系統(tǒng)性與實用性，另一方面理論必須與實踐結合才不至于僵化變成死知識。當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容。雖然電路的基本理論大體已經成熟，但是由于集成電路工藝以及工具發(fā)展日新月異，所以授課的內容就應該緊跟技術發(fā)展的步伐。比如，目前從C語言到Verilog語言的高級綜合已經成熟并市場化，那么課堂教學就應該包括這些內容。
4）鼓勵學生假期去實習或參加研究生的科研項目。
4小結
我國正處在集成電路發(fā)展的黃金時期，高校應該把握時機加大集成電路師資力量和實驗環(huán)境的投入，努力優(yōu)化集成電路相關的課程體系、積極更新授課內容以滿足日新月異的集成電路產業(yè)對高素質人才的需求。集成電路設計在整體集成電路相關的幾個方向中占據著重要的地位，本文深入探討了集成電路設計相關的課程設置及授課內容等相關內容，并結合自己多年的教學實踐及思考給出了建議。
作者：張長春 單位：南京郵電大學電子科學與工程學院
