集成电路设计类课程的改革探索

赵琳娜， 虞致国， 梁海莲， 闫大为

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

集成电路设计类课程的改革探索

赵琳娜， 虞致国， 梁海莲， 闫大为

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

在现有的教学机制基础上，本课程建设小组对集成电路设计类课程群进行了探索性的“多维一体”的教学改革，提出了新型集成电路设计类课程体系和教学模式，将工程案例教学法贯穿于课程的理论、实验和作业环节，通过案例教学使学生掌握集成电路的前端和后端设计流程。

集成电路设计； 微电子专业； 课程体系； 教学模式

集成电路被称为信息产业的“心脏”，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一[1]。为促进集成电路产业发展，2014年10月我国成立了集成电路产业投资基金重点投资集成电路芯片制造业，兼顾芯片设计、封装测试、设备和材料等产业[2]，该基金会的设立，提高了整个集成电路产业链的信心，为集成电路产业的蓬勃发展注入了活力。任何行业的发展都离不开人才，尤其对高端人才的需求。目前，我国高端集成电路设计、版图设计、系统验证和集成电路工艺、封装、测试等人才非常匮乏。因此，如何提高集成电路专业人才的数量和质量已成为当前国内高校亟待完成的任务。

1 传统人才培养模式剖析

2001年我国新增“集成电路设计与集成系统”本科专业，2003年至2009年，我国在清华大学、北京大学、复旦大学等高校分三批设立了20个大学集成电路人才培养基地，加上原有的“微电子科学与工程”专业，目前，国内已有近百所高校开设了微电子相关专业和实训基地，由此可见，国家对集成电路行业人才培养的高度重视。在新形势下，集成电路相关专业的“重理论轻实践”、“重教授轻自学轻互动” 的传统人才培养模式已不再适用。因此， 探索新的人才培养方式，改革集成电路设计类课程体系显得尤为重要。

传统人才培养模式的“重理论、轻实践”方面，可从课程教学学时安排上略见一斑。例如：某高校“模拟集成电路设计”课程，总学时为80，其中理论为64学时，实验为16学时，理论与实验学时比高达4∶1。由于受学时限制，实验内容很难全面覆盖模拟集成电路的典型结构，且实验所涉及的电路结构、器件尺寸和参数只能由授课教师直接给出，学生在有限的实验学时内仅完成电路的仿真验证工作。由于缺失了根据所学理论动手设计电路结构，计算器件尺寸，以及通过仿真迭代优化设计等环节，使得众多应届毕业生走出校园后普遍不具备直接参与集成电路设计的能力。

“重教授、轻自学、轻互动”的传统教学方式也备受诟病。课堂上，授课教师过多地关注知识的传授，忽略了发挥学生主动学习的主观能动性，导致教师教得很累，学生学得无趣。

2 集成电路设计类课程体系改革探索和教学模式的改进

2014年“数字集成电路设计”课程被列入我校卓越课程的建设项目，以此为契机，卓越课程建设小组对集成电路设计类课程进行了探索性的“多维一体”的教学改革，运用多元化的教学组织形式，通过合作学习、小组讨论、项目学习、课外实训等方式，营造开放、协作、自主的学习氛围和批判性的学习环境。

2.1 新型集成电路设计课程体系探索

由于统一的人才培养方案，造成了学生“学而不精”局面，培养出来的学生很难快速适应企业的需求，往往企业还需追加6～12个月的实训，学生才能逐渐掌握专业技能，适应工作岗位。因此，本卓越课程建设小组试图根据差异化的人才培养目标，探索新型集成电路设计类课程体系，重新规划课程体系，突出课程的差异化设置。

集成电路设计类课程的差异化，即根据不同的人才培养目标，开设不同的专业课程。比如，一些班级侧重培养集成电路前端设计的高端人才，其开设的集成电路设计类课程包括数字集成电路设计、集成电路系统与芯片设计、模拟集成电路设计、射频电路基础、硬件描述语言与FPGA设计、集成电路EDA技术、集成电路工艺原理等；另外的几个班级，则侧重于集成电路后端设计的高端人才培养，其开设的集成电路设计类课程包括数字集成电路设计、CMOS模拟集成电路设计、版图设计技术、集成电路工艺原理、集成电路CAD、集成电路封装与集成电路测试等。

在多元化的培养模式中，加入实训环节，为期一年，设置在第七、八学期。学生可自由选择，或留在学校参与教师团队的项目进行实训，或进入企业实习，以此来提高学生的专业技能与综合素质。

2.2 理论课课堂教学方式的改进

传统的课堂理论教学方式主要“以教为主”，缺少了“以学为主”的互动环节和自主学习环节。通过增加以学生为主导的学习环节，提高学生学习的兴趣和学习效果。改进措施如下：

(1) 适当降低精讲学时。精讲学时从以往的占课程总学时的75%～80%，降低为30%～40%，课程的重点和难点由主讲教师精讲，精讲环节重在使学生掌握扎实的理论基础。

(2) 增加课堂互动和自学学时。其学时由原来的占理论学时不到5%增至40%～50%。

(3) 采用多样化课堂教学手段，包括团队合作学习、课堂小组讨论和自主学习等，激发学生自主学习的兴趣。比如，教师结合当前本专业国内外发展趋势、研究热点和实践应用等，将课程内容凝练成几个专题供学生进行小组讨论，每小组人数控制在3～4人，课堂讨论时间安排不低于课程总学时的30%[3]。专题内容由学生通过自主学习的方式完成，小组成员在查阅大量的文献资料后，撰写报告，在课堂上与师生进行交流。

课堂理论教学方式的改进，充分调动了学生的学习热情和积极性，使学生从被动接受变为主动学习，既活跃了课堂气氛，也营造了自主、平等、开放的学习氛围。

2.3 课程实验环节的改进

为使学生尽快掌握集成电路设计经验，提高动手实践能力，探索一种内容合适、难度适中的集成电路设计实验教学方法势在必行。本课程建设小组将从以下几个方面对课程实验环节进行改进：

(1) 适当提高教学实验课时占课程总学时的比例，使理论和实验学时的比例不高于2∶1。

(2) 增加课外实验任务。除实验学时内必须完成的实验外，教师可增设多个备选实验供学生选择。学生可在开放实验室完成相关实验内容，为学生提供更多的自主思考和探索空间。

(3) 提升集成电路设计实验室的软、硬件环境。本专业通过申请实验室改造经费，已完成多个相关实验室的软、硬件升级换代。目前，实验室配套完善的EDA辅助电路设计软件，该系列软件均为业界认可且使用率较高的软件。

(4) 统筹安排集成电路设计类课程群的教学实验环节，力争使课程群的实验内容覆盖设计全流程。由于集成电路设计类课程多、覆盖面大，且由不同教师进行授课，因此课程实验分散，难以统一。本课程建设小组为了提高学生的动手能力和就业竞争力，全面规划、统筹安排课程群内的所有实验，使学生对集成电路设计的全流程都有所了解。

3 工程案例教学法的应用

为提升学生的工程实践经验，我们将工程案例教学法贯穿于整个课程群的理论、实验和作业环节。下面以模拟集成电路中的典型模块多级放大器的设计为例，对该教学方法在课程中的应用进行详细介绍。

3.1 精讲环节

运算放大器是模拟系统和混合信号系统中一个完整而又重要的部分，从直流偏置的产生到高速放大或滤波，都离不开不同复杂程度的运算放大器。因此，掌握运算放大器知识是学生毕业后从事模拟集成电路设计的基础。

虽然多级运算放大器的电路规模不是很大，但是在设计过程中，需根据性能指标，谨慎挑选运放结构，合理设计器件尺寸。运算放大器的性能指标指导着设计的各个环节和几个比较重要的设计参数，如开环增益、小信号带宽、最大功率、输出电压(流)摆幅、相位裕度、共模抑制比、电源抑制比、转换速率等。

由于运算放大器的设计指标多，设计过程相对复杂，因此其工作原理、电路结构和器件尺寸的计算方法等，这部分内容需要由主讲教师精讲，其教学内容可以放在 “模拟集成电路设计”课程的理论学时里。

3.2 作业环节

课后作业不仅仅是课堂教学的巩固，还应是课程实验的准备环节。为了弥补缺失的学生自主设计环节，我们将电路结构的设计和器件尺寸、相关参数的手工计算过程放在作业环节中完成。这样做既不占用宝贵的实验学时，又提高了学生的分析问题和解决问题的能力。比如两级运算放大器的设计和仿真实验，运放的设计指标为：直流增益>80 dB；单位增益带宽>50 MHz；负载电容为2 pF；相位裕度>60°；共模电平为0.9 V(VDD=1.8 V)；差分输出摆幅>±0.9 V；差分压摆率>100 V/μs。在上机实验之前，主讲教师先将该运放的设计指标布置在作业中，学生根据教师指定的设计参数完成两级运放结构选型及器件尺寸、参数的手工计算工作，仿真验证和电路优化工作在实验学时或课外实训环节中完成。

3.3 实验环节

在课程实验中，学生使用EDA软件平台将作业中设计好的电路输入并搭建相关仿真环境，进行仿真验证工作。学生根据仿真结果不断优化电路结构和器件尺寸，直至所设计的运算放大器满足所有预设指标。其教学内容可放在“模拟集成电路设计”或“集成电路EDA技术”课程里[4]。

3.4 版图设计环节

版图是电路系统和集成电路工艺之间的桥梁，是集成电路设计不可或缺的重要环节。通过集成电路的版图设计，可将立体的电路系统变为一个二维的平面图形，再经过工艺加工还原为基于硅材料的立体结构。

两级运算放大器属于模拟集成电路，其版图设计不仅要满足工艺厂商提供的设计规则，还应考虑到模拟集成电路版图设计的准则，如匹配性、抗干扰性以及冗余设计等。其教学内容可放在课程群中“版图设计技术”的实验环节完成。

通过理论环节、作业环节以及实验的迭代仿真和版图设计环节，使学生掌握模拟集成电路的前端设计到后端设计流程，以及相关EDA软件的使用，具备了直接参与模拟集成电路设计的能力。

4 结语

集成电路设计类课程的改革，是新的尝试和探索，其措施包括多元化人才培养模式、理论课课堂教学方式的改进、课程实验环节的改进，以及工程案例教学法的应用。本课程建设小组希望藉此来提高教学效果和质量，激发学生自主学习的兴趣，提升学生的理论知识水平和实践应用能力，全面提升学生的专业综合素质。

[1] 赛迪顾问股份有限公司. 2013年中国集成电路市场规模同比增长7.1%[J].中国集成电路，2014(5)：18-19.

[2] 2014中国半导体市场年会主题：增强产业创新，共促持续发展[J].集成电路应用，2014(4)：7.

[3] 熊伟丽，徐颖秦，潘丰.自动控制原理卓越课程的建设与实践[J].价值工程，2013(29)：213-214.

[4] 毛松. EDA实验在数字集成电路设计课程中的应用[J].信息系统工程， 2012(9)：9009-9011.

Study on VLSI design curriculum

ZHAOLinna,YUZhiguo,LIANGHailian,YANDawei

(School of Internet of Things Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Based on the existing teaching mechanism, the group for the course construction have done a "multi-dimensional integrated" teaching reform on IC design curriculum. New system and teaching mode are proposed. Engineering case teaching method is applied throughout the theory, experiment and homework of the courses. Based on this, the students can master the front-end and back-end design flow of the integrated circuit.

integrated circuit design; microelectronics; course system; teaching mode

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2015.04.012

2015-05-06

江南大学2014年卓越课程建设项目(1255210232150090)

赵琳娜(1979— )，女，天津市人，讲师，硕士，研究方向：大规模集成电路设计。

G 642

A

1671-7880(2015)04-0038-03