面向集成电路质量技术创新人才培养的探索与实践

董慧 李晓维

摘 要：文章通过以计算机体系结构国家重点实验室为例，介绍了面向计算机集成电路质量技术创新人才培养的课程体系建设及其特色，教材建设及教学成效，案例翔实。

关键词：集成电路；质量技术；创新人才培养

中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）01-0018-03

Abstract： In this paper， we set the key state-owned computer constructional laboratory as an example， introduce the construction and characteristic of the talents training course in face of the technological innovation in computer integrated circuit field， as well as the construction of teaching material and teaching effect.

Keywords： integrated circuit； quality technology； innovative talents training

一、背景

集成电路芯片设计中的bug、制造中产生的故障、使用过程中的环境干扰和老化问题，可能导致信息系统失效、造成经济损失甚至灾难性后果。在集成电路（IC）芯片广泛应用于电子信息系统、产品质量要求日益提高的大趋势下，对设计验证的完备和高效、芯片故障的快速可靠精确测试、芯片运行时容错的需求越来越高。验证、测试和容错是数字IC质量保障的主要技术手段。

中科院计算所在集成电路质量技术领域有近四十年的科研积累，曾于二十世纪九十年代多次荣获中国科学院自然科学奖。2000年以来，随着计算所多款芯片的研制成功，在包括验证、测试、容错等在内的全生命周期集成电路质量技术领域取得了丰硕的科研成果，培养锻炼了一支活跃的教育教学科研团队“中科院计算所测试与容错技术创新团队”。

经过十余年的努力，本教育教学科研团队结合中科院计算所研制的多款芯片（多核处理器、众核处理器、自修复处理器等）的全生命周期质量技术问题，建立了完整的课程体系，包括 3门核心课程、3门研讨课程和 4门国际合作课程，在国内外研究生教学机构中都很少见。

二、教育教学实践简介

由中科院计算所和中国科学院大学合作完成的“面向集成电路质量技术创新人才培养的教育教学实践”成果，包含一个覆盖集成电路全生命周期质量技术的完整的课程体系，包含10门课程，如下表所示。其中3门核心课程《VLSI测试与可测试性设计》、《集成电路验证》、《数字系统的故障诊断与容错设计》在国科大均有十余年科研教学实践（如表1）。

教育教学目标：通过系统地讲授集成电路质量技术的核心课程、高级选修课程，使研究生掌握集成电路质量技术领域坚实宽广的基础理论、系统深入的专门知识，具有集成电路验证、测试、容错设计方向独立从事科学研究工作、取得创新性研究成果的能力，并培养集成电路验证、测试、容错设计方向高级工程技术人员、服务于集成电路产业。

本教育教学实践成果主要体现在下面三个方面：

1. 锻炼了一支优秀的教师队伍：课程体系的全部教员（李晓维研究员、李华伟研究员、沈海华副教授、胡瑜研究员、韩银和研究员等）均来自于科学研究工作的第一线——北京市创新团队“中科院计算所测试与容错技术创新团队”。主要教员2009年以来获得：中科院朱李月华优秀教师奖 4人次，中科院优秀研究生指导教师奖 1人次；国家技术发明奖二等奖 1项、国家科技进步奖二等奖 1项、北京市科学技术奖一等奖 1项、中国质量协会质量技术奖一等奖1项。

2. 培养了卓有成效的创新人才：本团队指导的学生2009年來获得中科院院长奖 6人次，中科院优秀博士论文奖 1人次，中国计算机学会优秀博士学位论文奖 1人次，北京市优秀毕业生 3人次。培养的博士生已有13位担任副教授；1人担任航天某所研究员，负责并研制成功了“神舟九号”飞船的容错控制计算机，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖二等奖各1项；培养的硕士生1人在集成电路领域成功创业，获“昆山市2014年度领军型创业人才”称号。

3. 践行了科教融合的教学实践：（1）出版学术专著 4本、译著1本作为教材和教学参考书，参与编写的英文教材被国际名校普遍采用；（2）依托中科院计算所集成电路实验室，教学内容与教员承担的科研紧密结合，培养了学生的创新能力，培养的学生在国际学术会议DAC'16、ATS'10、ITC'11的学生竞赛中获2次冠军、1次亚军；（3）聘请美国知名教授合作讲授 4门研究生课程，促进学生与国际一流学者的合作研究。2009年以来本团队学生在IEEE/ACM Transactions上发表论文36篇。

三、教育教学实践特色

本教育教学实践不仅能生动形象地为学生诠释集成电路质量技术领域的基本概念、基本原理、基本方法，还给学生提供了工程开发和技术实践的实验环境，并将该领域的最新研究进展引入课堂，解决了教学与科研脱节的问题，促进了学生进一步在该领域从事前沿技术研究，做到了教育和科研的无缝衔接。

（一）出版学术专著 4本、译著1本作为教材和教学参考书，参与编写的英文教材被国际名校普遍采用

授课教师根据多年的研究积累，完成了 4部中文著作——《数字集成电路测试优化》、《数字集成电路设计验证》、《低功耗集成电路》、《数字集成电路容错设计》，以及1部译著《全面的功能验证：完整的工业流程》，作为这 3门课程的主要教材和教学参考书。

测试课程引进国际专著《VLSI TEST PRINCIPLES AND ARCHITECTURES： Design for Testability》作为主要教材。首席教师李晓维研究员参与了该著作第 6章的撰写。验证课程引进和翻译了IBM资深验证工程师撰写的国际专著《全面的功能验证：完整的工业流程》作为研究生教材；容错课程引进国际经典著作《Reliability of Computer Systems and Networks： Fault Tolerance， Analysis， and Design》作为主要教材。上述教材有效保障了核心课程的教学内容与国外先进水平接轨。

此外，授课教师在引进翻译英文著作和撰写中文著作的过程中，对本领域专业术语的中文翻译进行了认真的校订，促进了学科的建设和国际前沿技术在国内的传播。

（二）依托中科院计算所集成电路实验室，教学内容与科研紧密结合，培养了学生的创新能力

《VLSI测试与可测试性设计》课程的科研实践中，学生可使用一款异构多核系统芯片Godson-Dm，学习和实践分布式与多路选择器结合的测试访问机制设计。《集成电路验证》课程的科研实践中，学生可使用一款ARM v8处理器，进行基于指令模板的通用处理器约束随机指令生成，学习和实践各种功能场景的验证。《数字系统的故障诊断与容错设计》课程的科研实践中，学生可使用一款自修复处理器SRP，学习和实践利用SRP搭建无线传感网络容错节点。

通过上述课程的学习，有效提高了学生的创新能力。培养的博士生鄢贵海在IEEE ATS'10上获得博士论文竞赛冠军、在IEEE ITC'11上获得TTTC国际博士论文竞赛亚军；博士生王颖在IEEE DAC'16上获得国际低功耗图像识别竞赛冠军。

（三）聘请美国知名教授合作讲授4门研究生课程，促进学生与国际一流学者的合作研究

为了加强教学和教育的国际交流，授课教师持续邀请国际著名高校的教授和专家来访并讲授研究生课程，代表性课程包括：1.为美国UCSB大学Kwang-Ting Cheng教授（IEEE Fellow）申请中科院多学科交叉研究专项，在2012年3月-9月期间来访，开设研究生课程《高通量计算系统的可靠设计、验证与测试》； 2.邀请美国UT Austin大学Jacob Abraham教授（IEEE Fellow）来计算所短期国际合作，在2013年6月讲授研究生课程《VLSI Testing and Design Verification》；3.聘请美国麻省大学Sandip Kundu教授（IEEE Fellow）为中科院外国专家特聘研究员，在2014年3月-4月讲授研究生课程《Design for Manufacturability and Reliability of VLSI Circuits》；4.承办龙星计划课程——“高性能数字系统的建模与验证”（2016年9月），由美国波特兰州立大学Xiaoyu Song教授讲授。

这些课程的开设，促进了课程体系的国际交流、改进和完善，给选课学生提供了丰富的科研视野，为研究选题、创新思路和实验方法提供了深入的指导。学生与Kwang-Ting Cheng教授合作的研究论文2014年在IEEE Trans. VLSI System发表，与Sandip Kundu教授合作的研究论文2016年在IEEE Trans. CAD发表。

2009年来本团队学生在IEEE/ACM Transactions上发表论文36篇。

四、教育教学实践成效

“面向集成电路质量技术创新人才培养的教育教学实践”形成了一个覆盖集成电路全生命周期质量技术的完整的课程体系，仅在中科院研究生院/中国科学院大学选修上述课程的研究生就有一千多人。

（一）推动了国内外高校集成电路质量技术领域研究生课程的开设

参与本课程体系学习的学生毕业后使用相同的教材和课件，在同济大学、北京航空航天大学、合肥工业大学、中南大学、北京理工大学、中国石油大学、江南大学等开设了同类研究生课程，进一步促进了我国集成电路质量技术创新人才的培养。参与编写的英文教材被美国斯坦福、UCSB、UCSD、UT Austin、麻省大学、香港中文大学、香港科技大学、台湾清华大学、台湾大学、日本九州工业大学等十几所国际知名高校采用。

（二）培养了一批学术界优秀人才及多名集成电路业界领军人才

本团队指导的学生2009年来获得中科院院长奖 6人次（付斌章、胡杏、黄柯衡、鄢贵海、叶靖、周艳红），中科院优秀博士论文奖 1人次（鄢贵海），中国计算机学会优秀博士学位论文奖 1人次（鄢贵海），北京市优秀毕业生 3人次（董建波、马君、周君）。培养的博士生已有13位任职副教授（张磊、鄢贵海、李佳、王达、付斌章、安竹林、张颖、付祥、裴颂伟、高建良、靳松、刘军、许达文）。

修课学生刘波现任航天二院502所研究员，负责并研制成功了“神舟九号”飞船的容错控制计算机，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖二等奖各1项。

培养的硕士生张飞飞在集成电路领域成功创业，于2013年创立江苏邦融微电子有限公司，担任总经理，主营安全类芯片-指纹识别芯片和指纹识别模组，荣获“昆山市2014年度领军型创业人才”称号。

（三）在教育教学实践中打造了一支优秀的教学科研团队

本教学科研团队的全部教员（李晓维、李华伟、沈海华、胡瑜、韩银和等）均来自于科学研究工作的第一线。团队成员先后获得中国质量协会质量技术奖一等奖（2011）、国家技术发明奖二等奖（2012）、北京市科學技术奖一等奖（2014）、国家科技进步奖二等奖（2015）。李晓维领衔的“中科院计算所测试与容错技术创新团队”入选2014年度“科技北京”百名领军人才培养工程。

李晓维获中科院朱李月华优秀教师奖（2009和2016）、中科院优秀研究生指导教师奖（2012）、中国计算机学会优秀博士学位论文导师奖（2012）；李华伟获中科院朱李月华优秀教师奖（2012）；胡瑜获中科院朱李月华优秀教师奖（2013）。

五、结束语

本教育教学实践成果形成了覆盖集成电路全生命周期质量技术的课程体系，培养了卓有成效的创新人才，践行了科教融合的教学实践。

覆盖集成电路全生命周期质量技术的课程体系：结合中科院计算所研制的多款芯片（多核处理器、众核处理器、自修复处理器等）的全生命周期质量技术问题，建立了完整的课程体系，包括3门核心课程、3门研讨课程和4门国际合作课程，在国内外研究生教学机构中都很少见。其中3门核心课程《VLSI测试与可测试性设计》、《集成电路验证》、《数字系统的故障诊断与容错设计》均有十余年教育教学实践。

卓有成效的创新人才培养：本团队指导的学生2009年来获得中科院院长奖 6人次，中科院优秀博士论文奖 1人次，中国计算机学会优秀博士学位论文奖 1人次，北京市优秀毕业生 3人次。培养的博士生已有13位担任副教授；1人担任航天某所研究员，负责并研制成功了“神舟九号”飞船的容错控制计算机，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖二等奖各1项；培养的硕士生1人在集成电路领域成功创业，获“昆山市2014年度领军型创业人才”称号。

科教融合的教学实践：（1）出版学术专著 4本、译著1本作为教材和教学参考书，参与编写的英文教材被国际名校普遍采用；（2）依托于中科院计算所集成电路实验室、国科大计控学院智能硬件及硬件安全实验室（基础EDA工具平台、FPGA仿真实验环境等），教学内容与教员承担的科研紧密结合，培养了学生的创新能力，培养的学生在国际学术会议DAC'16、ATS'10、ITC'11的学生竞赛中获2次冠军、1次亚军；（3）聘请美国知名教授合作讲授4门研究生课程，促进学生与国际一流学者的合作研究。2009年以来本团队学生在IEEE/ACM Transactions上发表论文36篇。

经过八年来的建设，我们在培养集成电路质量技术领域创新人才的同时，造就出一支年龄结构合理、教学经验丰富、学术造诣高的集成电路质量技术领域核心课程教师队伍，积累了丰富的教学经验，取得了丰硕的成果。我们在教学内容、教学方法、教学实践等方面，坚持改革和创新，及时将科研活动中取得的最新成果融入教学中，促进了教学水平的不断提高，保证了课程体系建设始终处于国际先进、国内领先的水平。

参考文献：

[1]杨琼.对新形势下的高校非计算机专业计算机基础课程及课程群设置的思考[J].高教学刊，2015（24）：64-65.

[2]孙仁科，姜薇，李向群，等.以计算思维能力培养为核心的大学计算机课程体系研究[J].高教学刊，2017（06）：142-143.