模拟集成电路分析与设计教学实践研究

刘伟景 汤乃云 陈磊 宋小军

摘 要：高校人才培养與产业发展存在一定程度脱节是导致我国集成电路人才严重缺乏的重要原因之一，通过教学改革，创新人才培养机制，培养产业发展需求的创新人才是首要而艰巨的任务。模拟集成电路分析与设计是微电子学专业学生的专业核心课程，对学生模拟集成电路设计相关能力培养起着重要的作用。文章结合教学实践，从理论教学、实验教学、教学管理等角度初步探讨模拟集成电路分析与设计教学新思路。

关键词：模拟集成电路；教学方法；课程改革；创新人才培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）05-0118-03

Abstract： The lack of the integrated circuit talent is partly induced by the disconnection between university personnel training and industrial development， and it is a main and huge task to cultivate the innovative talents the industrial development needed by teaching reformation and cultivation mechanism innovation. The analysis and design of analog integrated circuit is the core course in microelectronics， which plays an important role in the ability cultivation of the integrated circuit design. In this paper， we discussed the new idea of teaching from the perspectives of theoretical teaching， practical teaching and teaching management.

Keywords： analogue integrated circuit； teaching method； curriculum reform； innovative talents cultivation

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。2014年国务院发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》中，明确指出着力发展集成电路设计业为首要任务。目前，我国集成电路设计产业面临严峻挑战，芯片设计产品总体市场份额有所提升，但高端芯片市场份额很低，主流技术尚未摆脱跟随，芯片自主研发能力和产品创新能力不足。集成电路产业是资金、技术和人才密集的产业，现在我国不缺市场和资本，最缺的是人才。对于集成电路设计领域，人才更是核心和关键。

2017年5月工业和信息化部软件与集成电路促进中心发布《中国集成电路产业人才白皮书（2016-2017）》，分析总结了我国集成电路产业人才需求与培养状况。目前我国芯片设计从业人员数量约13万，到2020年，需要增加到28万，差距有15万人，产业人才供给与产业发展增速不匹配。相对于数字集成电路设计，模拟集成电路设计规模虽然较小，但涉及繁琐复杂的器件及工艺等级别的设计分析，对设计者专业知识与经验都有较高的要求，其培养周期更长，因此，模拟集成电路人才数量与质量缺口更大[1，2]。

高校对人才的培养与产业发展存在一定程度脱节是导致人才严重缺乏问题的重要原因之一。依据产业发展需求，改革人才培养方式，注重高端集成电路产业人才的培养，是我国高等院校微电子相关专业教学改革首要而艰巨的任务。

模拟集成电路分析与设计是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业必修课程，对模拟集成电路设计人才的培养起着至关重要的作用[3，4]。

目前该课程教学存在很多问题，教学内容陈旧，理论教学与工程实践脱节，教师和学生创新思维缺乏。如何通过改革、创新来提升理论与实践教学效果，为产业发展培养既具备基本理论知识，又具备一定的工程实践和技术创新能力的设计人才是该课程教学工作面临的挑战[5，6]。

本文结合自身教学实践，依据产业发展需求，针对目前教学中普遍存在的问题，从课程的理论教学、实践教学以及教学管理等几个方面初步探讨模拟集成电路分析与设计理论与实践教学新思路。

一、理论教学内容与方法

加强理论教学是解决人才培养中理论知识不足的关键环节。模拟集成电路设计需要通过器件及制造工艺的深入讨论进行电路级多维参数的折中与优化，电路设计与物理层分析密不可分，电路分析与设计比较繁琐和复杂，要求学生具有很好的基础理论、专业知识及应用能力，因此，本课程理论教学，立足经典教材，加强基础知识与经典理论学习，同时注意补充行业与学术前沿理论与知识。

（一）教材选择

我国高校该课程的很多教材内容都比较陈旧，对一些国外经典教材的翻译质量也不高。结合我校学生特点和课程要求，选择陈贵灿老师等翻译的《模拟CMOS集成电路设计》（Behzad Razavi 著）为课程主教材，其英文原版为辅助教材[7]。依据行业发展与就业需求，鼓励学生使用原版英文教材。该教材被誉为业界“三大圣典”之一，内容系统全面，阐述深入浅出，融合各种设计指标之间的折中与优化，但该教材对使用者要求较高，各种电路的分析与设计都要求学生具备很好的材料、工艺、器件物理、版图、模型、设计流程概论等基础，需要培养方案合理设置相关前期基础课程，学生通过该教材学习，可将前期所学相关理论知识在本课程学习中实际融合运用，逐步提升对相关知识的理解与掌握。

同时，采用《CMOS Circuit Design， Layout， and Simulation》（R. Jacob Baker著）英文原版教材为课程参考教材，该教材理论与实践结合紧密，书中提供大量仿真验证工程案例，可为实践教学提供参考。

（二）引入集成电路技术发展前沿，删减陈旧知识点

集成电路产业高速发展，对模拟集成电路的应用和需求层出不穷，更为重要的是，以特征尺寸为驱动的先进工艺节点不断往前推进，给模拟集成电路设计物理实现不断带来新的问题。教材知识体系更新严重落后于产业技术的高速发展，教材内容相对比较陈旧。

如很多设计问题中，都会讨论MOS器件二级效应，在教授过程中需要讲清楚对于相关效应的考虑，要结合具体设计所用工艺信息，基于不同工艺套件的设计所要考虑的器件于工艺问题差异很大。很多二阶效应是特定工艺节点下的产物，随着先进制程的不断推进，新的效应不断出现，有些旧工艺制程相关效应可能会减弱或消失。例如，在教材中讨论的二阶效应主要有，沟道长度调制和体效应，而在很多先进的制程中，设计者要考虑的效应远远不止这些。在一些比较先进的工艺节点工艺中，我们需要考虑很多深亚微米效应，如在40nm左右工艺节点中，MOSFET会出现速度饱和效应，当VDS增大提高，源漏间横向电场增大，但载流子输运速度不会成比例增大，载流子出现速度饱和，迁移率降低。当栅源电压提高，垂直电场增大，沟道中的载流子迁移率会出现退化问题。目前，将特征尺寸不断缩小的先进制程发展方向主要有两个，一个是FinFET工艺制程，一个是FD_SOI工艺制程。FinFET工艺是一种全新围栅结构器件工艺制程，FD_SOI工艺虽然是传统平面工艺的延伸，但很多技术特点也有别于传统平面工艺制程，如穿透效应，体效应等二阶效应会明显减弱或消失，同时又会出现一些需要我们关注的新问题。

因此，除了教授课程主线内容，必须积极关注产业发展动态和学术研究前沿，将产业和学术最新进展整理归纳，有选择的带入课堂。去旧存新，丰富和更新教学内容，保证课程教学的理论先进性和工程实践性。

二、实践教学内容与方法

很多高校模拟集成电路设计理论教学与工程实践都存在一定的脱节，实践教学量较小，实践平台有限，导致人才培养中工程实践能力不足。教学与实践有机结合是突破人才工程能力不足等问题的有效措施，我们从以下几个方面着手来增强实践环节教学质量。

（一）理论课程教学中引入EDA工具仿真验证

模拟集成电路分析与设计过程比较繁琐复杂，如果按照以教师讲解为主，依据教材安排进行理论分析和公式推导，学生很难深入理解和掌握相关理论与知识。教师在进行电路分析与设计理论教学时，可以引入HSPICE等EDA工具对所讲授电路理论进行仿真验证。HSPICE是业界通用的高精度专业仿真软件，通过网表编辑电路仿真输入输出信息，结合演示仿真对应的工艺节点信息选择适用的模型库。简单电路仿真时间很短，便于课堂教学穿插使用。在理论分析过程中，通过HSPICE仿真来验证理论分析和推导结果，让学生对抽象的电路理论建立直观感性的认知，加深学生对所学电路、器件及工艺的理解和掌握及综合应用。在本课程教材没有引入很多HSPICE的仿真实践，教师可以根据授课内容，结合其他参考教材及工程文档进行课堂仿真实验的设计。

（二）强化集中实践课程教学环节

集中实践课程是让学生通过独立思考并应用所学理论知识来解决具体的模拟集成电路设计问题的实训平台，是学生工程实践能力培养的关键环节。

让学生在实践课时内采用HSPICE等EDA工具依据实验指导书进行几项指定电路功能仿真验证流程操作的传统方式不能满足人才培养的需求。需要通过以下几个方面进行变革：

首先，以学生实践为主，教师指导为辅的原则，实验内容分两部分：第一部分安排几种电路前端仿真验证与设计，给定电路让学生画原理图或编辑网表，仿真并分析仿真结果。然后教师给出电路指标设计要求，让学生根据所学理论知识自己选择与设计电路结构与参数，仿真验证，完成前端设计。第二部分选择一个电路进行前后端完整设计，前端设计匹配功能电路基本指标，后端设计实验侧重涉及版图设计，RC寄生抽取等制造工艺相关物理实现问题。学生完成前端仿真设计后，采用virtuoso等工具进行版图设计，采用Synopsys-StarRC进行寄生RC参数抽取，形成带有RC寄生参数的网表，再进行后仿真。很多设计公司都会将Synopsys与Cadence等公司的软件结合使用，让学生接触多种设计工具，并注意工具间的差异，如HSPICE只能通过网表方式输入，而Cadence软件可以采用原理图方式输入，Hspice与Spectre输入语法有所不同的问题。

其次，课外自由开放EDA实践平台，给学生充裕的独立思考、实践创新的空间。通过模拟前后端设计实践，使学生掌握模拟集成电路原理及基本设计流程与方法。

（三）推进“产学研”融合培养

通過国家和地方政府集成电路发展促进中心公益平台，集成电路设计公司与EDA软件公司大学计划等渠道，提升实践教学平台，为学生提供更多讲座培训与实训机会。

鼓励学生参加相关技术研讨，关注网路技术论坛获取很多产业知识和实践经验。

通过各种渠道，通过引入产学研项目，与企业联合共建实践教学平台，创建实训与实习基地，推进产学研深度融合，为学生提供更多参与项目和实习机会。

通过以上措施的共同推进学生的实践教学质量，有效的促进学生对基础理论知识的理解与综合应用，激发学生探索学习的主观能动性，促进学生工程实践与技术创新能力的培养和提升。

三、教学方法、教学方式、考核方式等教学与管理方法

通过调整教学方法、教学方式以及教学管理方式等各个环节协同创造促进学生主动思考、独立解决问题的培养环境，逐步推动学生创新思维和创新能力的培养。

（一）教学方法

根据模拟集成电路的内涵深，涉及面广的特点，教学内容要重点突出，讲解要深入浅出，以启发式、互动式的综合性教学方法为主。教学中既要进行电路级原理分析与设计，又要开展电路物理层实现相关问题讨论。如在阻性负载共源级单级放大器如何获得高增益的问题分析中，就需要教师结合工艺、器件、电路等相关知识的讲解，引导启发学生独立思考，深入理解电路参数与工艺、器件等物理层之间的内在联系，以此为基础依据设计要求在增益、带宽与电压摆幅等多个参数之间自行进行折中优化，逐步提高应用所学理论知识实际解决问题的能力。同时要结合产业与学术的最新进展，引入产业前沿知识与工程案例，来拓展丰富教学内容，提高学生不断探索学习的积极性。

（二）教学方式

运用电子课件、演示短片、先进设计与制造视频及流程演示动画等的形象教学和适度的理论推导，讲清各种模拟集成电路的基本概念和原理，教學过程采用双语形式；推进以网络化、信息化为基础的教育信息化，革新教学方式，鼓励教师开设与完善慕课建设，融入新的高等教育生态，让学生接触更广博的教育资源，创新学习生态[8]。指导学生通过专业技术论坛，行业重要期刊等网络数据资源拓展课堂外延学习。指导学生参加集成电路设计大赛等相关学科竞赛，通过高水平竞赛实践平台，进一步提升师生实践素养和创新思维[9]。

（三）考核方式

采用平时成绩、阶段课堂测试、期末调研报告、实验成绩相结合的综合考核体系。根据课程知识结构，学期中进行3-4次阶段课堂测试，考核阶段教学基本理论知识的理解与掌握情况。将考试压力分散到平时，避免学生平时松懈，期末靠前突击，该方式可以提高学生平时课堂学习动力，促进课程教学效果。提高实验成绩权重，通过综合答辩考察EDA工具使用、设计流程，理论知识综合应用等实践能力，避免学生重理论、轻实践，有效促进工程实践能力培养。期终调研报告要求学生在一定框架内自选课题，通过学术论文与工程文档调研，进行总结归纳与讨论拓展，让学生不局限教材体系知识的被动接受，拓展行业技术和学术前沿等外延知识学习，培养学生自我探索意识和创新思维。总评成绩通过平时成绩、课堂测试、调研报告和实验等四项成绩按比例综合给出。

通过以上理论与实践教学方法、教学方式以及考试方式的改革创新，提高理论与实践教学质量，调动学生学习主动性，增强学生的知识能力与工程实践能力，以此为基础培养创新思维，促进创新能力形成。同时，这些措施的有效实施，还依赖于教师理论与实践专业能力、教学管理水平的不断提升。因此，要着实推进师资队伍建设，注重通过项目实践、行业培训等方式提高在岗教师专业理论与实践素养，注重产学研联合提升教学平台，创新人才培养机制。

四、结束语

高校人才培养与产业发展存在一定程度脱节是导致我国集成电路设计人才，特别是模拟设计人才缺乏的一个重要原因。模拟集成电路分析与设计是微电子学专业学生的专业核心课程，对学生模拟设计相关能力培养起着重要的作用。本文针对目前模拟集成电路分析与设计课程教学中存在的教学内容陈旧，理论教学与工程实践脱节，教师和学生创新思维缺乏等主要问题，结合本人教学实践，从理论与实践教学、教学管理等角度初步探讨模拟集成电路分析与设计课程改革新思路，提升学生知识与实践能力，培养创新思维，为国家蓬勃发展的集成电路产业提供人才支持。

参考文献：

[1]魏少军.2015年中国集成电路设计业的发展情况[J].集成电路应用，2016，01：8-13.

[2]魏少军.2017年中国集成电路产业现状分析[J].集成电路应用，2017，04：6-11.

[3]陈国平，夏鲲，王楠.模拟集成电路设计教学方法探讨[J].中国教育技术装备，2013，30：95-96.

[4]蔺智挺，彭春雨，朱家俊.模拟集成电路设计实训[J].实验室研究与探索，2015，02：214-217.

[5]廖午阳.模拟集成电路设计教学探讨——实例项目方法总述[J].科技视界，2015，25：155.

[6]张翼，张瑛，成建兵，等.从设计角度教授“模拟集成电路分析与设计”课程[J].大众科技，2017，08：115-117.

[7]成建兵.《模拟集成电路分析与设计》双语教学的实践和研究[J].中国科技信息，2011，22：183-190.

[8]王添淼，张越.慕课教学中教师角色转换的叙事研究[J].课程·教材·教法，2017，03：110-115.

[9]张鸿.浅谈集成电路设计竞赛对《模拟集成电路设计》课程教学的促进作用[J].电子世界，2015，23：59-60+62.