集成电路特色专业课程与实验教学研究

摘要 集成电路是电子信息技术的核心。因此,加速集成电路人才培养,在教学内容、课程体系、教学方法和实践环节等方面的改革成为当前高等教育集成电路人才培养的重要和紧迫任务。为保证集成电路设计专业学生紧跟当前主流设计思想,原有课程和教学规划将面对全新的问题,急需开展相应的教学研究,主要包括教学内容、教学方法和实验方法。根据北航电子信息学院的自身特点并借鉴其他院校的教学经验,课程理论与工程实际紧密结合,在设计实现方面,采用课堂和课后结合的方式,着力培养懂理论、重实践、勤思考的高素质复合型人才。

关键词 集成电路(IC);设计实现;教学研究和高等教育

中图分类号:G642.423 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)27-0069-03

Teaching Studying of Course and Experiment about IC Design//Li Hongge

Abstract The integrated circuit is the core of electronics information technology. In order to confirm the consistency between IC design professional and mainstream design method, the older course must adjust about teaching content and experiment method and so on. This teaching reforming complete the combination of theory and engineering, and its aim is of training the high-quality talent with theory, practice and considering.

Key words IC; design implementation; teaching studying and higher education

Authors address School of Electronic Informational Engineering, Beihang University, 100191, China

当前,作为电子信息技术的核心,集成电路设计是国家高新技术的支柱性产业,也是保障国防安全的战略性产业。因此,加速集成电路人才培养是高等学校迫在眉睫的重任。由于我国半导体产业特别是集成电路较发达国家有较大的差距,我国传统的半导体专业划归为微电子学与固体电子学,其教授的核心主要集中在半导体理论方面,而对于集成电路设计的理论和方法相对薄弱。然而,随着半导体产业的飞速发展,国际主流趋势已经转变为Design House(集成电路设计公司)和Foundry(芯片代工厂)前后衔接与配合的模式。与此同时,相关的高等教育也必须符合产业界发展的需求,因此,集成电路专业的高等教育在教学内容、课程体系、教学方法和设计实践等环节的改革成为当前高等教育中集成电路人才培养重要和紧迫任务。新的专业发展趋势带来新教学方法和与之配套的设计实践,面对这些全新的问题,需要开展相应的教学研究,主要包括教学内容、教学方法和实验方法。根据北航电子信息工程学院自身特点并借鉴其他院校的教学经验,新教学法主要围绕以集成电路设计原理为主,配合主流IC设计方法且与工程实际紧密结合的体系模式,在设计实践方面,为保证学生对IC设计流程及方法的充分理解,采用课堂教学与专业课程设计全面结合的方式,着力培养懂理论、重实践、勤思考的集成电路设计高素质复合型人才。

1 集成电路专业现状

集成电路自1958年在德州仪器诞生以来,历时半个多世纪的发展,在美日欧等发达国家的发展中已经日益完善。而在我国,现代意义的集成电路发展才经历10年左右的历程。对于本专业而言,当今主流集成电路设计理论和方法也是一新概念,新专业带来新课程和新教学规划,面对这些全新的问题,需要借鉴国际一流大学的教学经验,结合已有基础,探索一条适合于自我发展的途径。

集成电路相关课程的教学规划、实践体系建设较薄弱,目前仍处于初级阶段。现在,电子信息工程学院承担着北航国家集成电路人才培养基地80%的IC人才培养任务。与此同时,学院已经完成多项与集成电路基础课程相配套的课程建设和实验环节,相关的精品课程建设和软硬件实验平台的建设也正在实施中。尽管学院在集成电路基础课程的建设上取得可喜的成绩,但对于新开设的集成电路设计本科专业课程,有关教学内容需要根据当前国际流行的IC设计方法进行建设,这样才能保证北航在国内外的教学地位和声誉的进一步提升,也才能保证为国家输出优秀的IC设计人才。因此,迫切需要建立和完善一套相应的教学实践课程体系,同时需要在配套的教学方法上取得突破性进展,达到国际一流大学的目标。

新的教学要求会带来一些问题。1)教学内容:本科阶段夯实集成电路理论基础知识与学生学习兴趣的非匹配问题;专业特设课程内容与实际IC设计应用结合的问题。2)教学方法:大量的专业特设理论教学和以IC设计工程为对象的教学方法的基础性与应用性矛盾问题;凸显具有现代IC设计理念的教师授课方法与学生听课的交互式学习问题。3)设计实践:课堂教学内容和IC设计实践结合问题;学生对集成电路设计流程工具(EDA工具)的理解和掌握的问题。

现在,本课程正处于教学内容建设和教学方法转型期,包括多媒体课件制作、教材补充完善、配套练习题完善、教学实验共享网站建设等。由于是结合国际最新IC发展方向的教学实践课程,将通过围绕新的教学内容建设而开展教学方法与课程实践的探索、实现和研究。

2 课程教学改革方案与措施

2.1 教学内容夯实本科生牢固的专业基础知识,适当引入和讲解集成电路产业最新科技发展的研究方向。集成电路设计技术既具有极强的理论性又有时间约束性,因此,只有学习掌握牢固的理论基础知识,才能在研究和挑战世界领先的技术和方法上发挥潜能。

坚持把实际应用的设计案例分解到教学课程中,突出教学内容重点,重点讲述关键知识点、核心技术,免除不必要的重复内容,使学生真正抓住重点,并使用应用案例说明理论基础、关键技术,突出设计思考的方法。

模拟集成电路和数字集成电路(含集成电路设计方法学)是本专业新开设的2门课程,针对教学大纲的要求,确保学生掌握和理解模拟集成电路的运算放大器和开关电容电路等核心知识;确保学生对数字集成电路中CMOS电路的静态和动态特性、时序组合逻辑电路、低功耗逻辑电路等知识的掌握和理解;同时讲解当前系统集成最新技术发展动态,结合Verilog语言讲授完整的基于单元系统设计方案。

2.2 教学方法完善多媒体课件和相关的教学资源。现代教育技术手段通常使用多样化的教学方式,其中包括多媒体课件、网上教学共享系统以及网络虚拟讨论等,通过这些现代的教学方法可以极大地提高学生的学习热情和主动探讨的精神。2门课程分别完成2套与课程配套的内容翔实的教学课件,完成内网的教学资源建设以及配套服务。

加强教师授课与学生听讲的互动式学习方式。互动式教学主要体现在实验阶段,在此阶段以学生为主、教师为辅、师生互动的方式激励学生的探索精神。

课堂教学内容和生产实习、毕业设计实践相结合。集成电路设计专业是以设计实现为中心的应用型课程,在实践中让学生充分掌握设计实现的全流程,并完成基于EDA工具的版图仿真,在有条件的情况下让学生参与流片和测试。在此基础上,学生对集成电路设计工具(EDA工具)的理解和掌握将有进一步提高。

2.3 实验环境建设集成电路工艺已经在深亚微米级别,单芯片集成的晶体管都在几十万、几百万门。集成电路实现的是以某一种系统为背景的设计,其复杂度的要求必须使用成熟的设计工具,因此,搭建完善的EDA实验平台是IC Design的前提条件。在数模混合设计和SOC系统级设计中,多工具多人同步协同验证是必不可少的。同时,搭建完整的EDA网络在保证数据的安全、提高协同设计等方面将具有至关重要的作用。此实验网络工程的组建有利于保证健全稳定的研究开发实施;有利于保证研发项目的数据安全;有利于保证多人同步设计与验证的协调管理。实验软硬件平台网络规划如图1所示,图2为网络平台下的全定制IC设计环境。

3 教改成果与创新

集成电路专业通过教学改革,实现教学内容与世界一流大学同步的教育方案,保证学生理解掌握课程理论思想与配套实验。实现下列目标:1)完成设计实用案例贯穿于课程教学的全过程,确保学生在实际应用中理解教学内容的目标;2)完成2门课程相关的多媒体教学课件,完成配套的教学共享资源;3)实现学生全流程动手实验方案,确保学生具有一定的设计思想和经验;4)在国家特设专业建设经费与学校配套资金的支持下,搭建完成集成电路设计的环境平台,提高学生的动手能力和工程实践能力。

通过上述目标实现国家集成电路人才培养基地的确定目标,进而实现应用型、研究型和创新型的人才培养目标。

通过为期一年的教改实施,教改成果包括:1)完善教科书和当前最前沿技术相融合的多媒体课件及相关配套板书设计各一套,教学内容以教科书为主,以实际工程设计案例为辅,完成专业理论与工程实现的配套改革;2)建立完成适合集成电路人才培养基地的国家级IC设计软硬件设计验证平台,编写相关的实验设计验证事例,编写模拟、数字2本相对应的实验手册和教材。

通过一年的教学与课程设计的改革,并对教改前后学生的实际情况进行调查分析:本专业的学生对专业课程及发展方向都产生浓厚的兴趣,2009年暑期的生产实习,全班级有21名学生在本专业教研室内进行有关集成电路设计方面的实习工作,占全班级的72.4%;比较08年的5名学生,增长率达到54%。

从教改中可以凝练出,改革原有单纯教科书的讲授内容,采用结合实际设计案例为依托的联系教学法,从而确保学生具有足够的感性理解。同时,教学内容结合当前最新科技,丰富集成电路课程内容,从而扩展学生的学习视野,培养学生的自学能力,增强学生的创新意识。

完成以精品教学课件为基础的教学方案,加强授课教师与听讲学生的良性互动,从而实现教学内容和手段的统一与协调。与此同时,完成网络共享资源的合理利用,进而增强学生主动参与、主动思考以及主动创新的意识。

完善的集成电路设计验证环境是学院在人才培养基地方面更进一步的标志。集成电路设计验证环境根据不同的开发项目可以搭建与之相对应的灵活可靠的平台和实验数据库,并完成相应的配套实验资源,使学生明确教学实验目的、改善教学实验环境、提高设计实践能力。

4 结束语

本文阐述了在当前条件下高校实施人才培养战略时,集成电路专业如何更好地提高教学质量的教改策略和配套的实验方案。通过教改前后的比较和分析,新的教学方案和实验方法具有教授学习互动、认知实践配合、理论工程互补的优势。教改的结果表明,新的教学方法和实验环境为国家IC培养基地提供了良好的环境,为国家急需的芯片核心技术的提升打下坚实的基础。

集成电路产业是日新月异的产业,高校的教育要不断紧跟国际的主流,为此,教师的责任尤为重要。与此同时,实验环节的配套必须有一定的资金的支持,才能保证教改成果的持续和发展。

参考文献

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