电子科学与技术专业集成电路实验教学改革

李祺 师建英 闫小兵

摘 要 集成电路系列实验是电子科学与技术专业集成电路方向的核心实验课程。通过与其他高校电子科学与技术专业相关课程的对比，提出普通高校在课程设置、内容深度及实验项目上存在的问题。从硬件配置、软件购买、教学方法、课外学习平台及参加集成电路设计大赛等方面阐述进行教学改革的方法。

关键词 集成电路实验;电子科学与技术;教学改革;EDA

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）08-0119-03

Reformation of Integrated Circuit Experiments of Electronic Science and Technology Specialty//LI Qi， SHI Jianying， YAN Xiaobing

Abstract Series experiments of integrated circuit are the core experi-

mental courses of Electronic Science and technology specialty. Com-

pared with the similar courses of the other universities， the problems such as the curriculum setting， content depth and experimental pro-jects are proposed. The following aspects as hardware configuration， software purchase， teaching method， extracurricular learning plat-form and taking part in the integrated circuit design contest can be used to carry out teaching reform.

Key words integrated circuit experiment; electronic science and technology; teaching reform; EDA

1 引言

集成电路设计能力的培养是电子科学与技术专业集成电路设计方向人才培养的关键。集成电路在日常生活中到处可见，自从1959年德州仪器公司的杰克·基尔比提出世界上第一块集成电路原型之后，集成电路芯片已经被广泛应用于教学、民用、商用、工业及军事等领域，成为推动电子产业发展的支撑力量。

我国的集成电路产业起步较晚，产业链、设计软件和关键技术也相对落后。从2000年起，我国开始陆续发布各项有利于集成电路产业发展的优惠政策。2011年2月，国务院印发4号文件《国务院关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，提出集成电业产业是国家战略性产业，是国民经济的重要基础，要继续完善措施，明确政策导向，增强科技创新能力，提高产业发展质量和水平。2014年6月，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，明确提出重点支持集成电路制造领域。

为了适应集成电路产业的飞速发展以及企业对集成电路设计人才的需求，教育部2003年下发的2号文件《教育部、科技部关于批准有关高校建设国家集成电路人才培养基地的通知》提出，要为企业培养高水平实用化的集成电路设计人才。

现阶段，大学生就业已经成为一个全民关注的社会问题[1]。高等学校在集成电路设计、制造和生产等方面的人才培养过程中，不仅要重视理论知识的讲授，更要注重学生实验实践能力的提升。实验教学是高校创新教育和校企合作育人机制在人才培养过程中不可或缺的组成部分[2]。如何让本科生在学校学习到足够的知识，且能够将理论知识与生产实践有机结合起来，拥有足够的实战经验和教训总结，是集成电路人才培养过程中提高毕业生就业竞争力必须要解决的重要问题。

2 鼓励教师外出调研 加快教学改革进程

集成电路产业的迅猛发展，使企业对毕业生的理论知识、动手能力和实践能力都提出更高的要求。这迫使高校在人才培养方面要与时俱进，为迎合市场需求而不断改进教学方案和人才培养计划，不能闭门造车。高校要鼓励教师走出去，到企业去提高自身的实践水平，去调研公司需要人才掌握的专业技能和知识分类量化[3]，将企业的需求与所开设的课程进行对比，及时调整授课内容，删减过时或与实际需求结合不紧密的课程学时，有针对性地增加设计型和应用型课程，使毕业生经过较短的培训就能胜任公司的工作，提高就业率;要鼓励教师到国内外高校特别是名校去调研或进修，了解它们相同专业的课程设置和具体的授课内容。通过进修学习，教师不仅可以提高讲课水平，找到自身存在的不足，更能开阔眼界，与所在高校相关课程的教学过程相对比，发现其中的不足之处，对教学过程和课堂教学环节进行重新思考，对教学方法、教学内容等项目的改革提出自己的见解。

3 集成电路系列实验所存在的问题

这里以河北大学为例，阐述普通高校集成电路实验教学过程中可能存在的问题。笔者经过在北京工业大学两个月的交流探讨和在北京理工大学半年的进修学习，通过与相关教师的交流探讨，对比发现，普通高校对学生集成电路设计核心能力的培养不明确，对人才培养目标定位比较模糊[4]。经过调查研究，多数高校开设的集成电路方向的专业课程都包括数字集成电路原理与设计、数字集成电路课程设计、数字集成电路实验、模拟集成电路原理与设计、模拟集成电路实验或课程设计、集成电路版图设计及版图实验等。普通高校所开设的理论课程内容广度和深度都有所欠缺，导致实验项目简单，形式单一。理论知识是实验操作的前提，如果理论知識匮乏，实验教学就是空谈。下面以河北大学为例来加以说明。

河北大学开设的数字集成电路原理与设计的理论课时为68学时，实验课时为18学时，课程设计课时为期一周。理论课程的内容稍显陈旧，对双极型器件及工艺介绍偏多，对CMOS器件及工艺介绍相对偏少，对可测性设计部分草草带过，对流水线部分未加介绍。实验课时偏少，使用的EDA工具落后，实验内容偏向于基本数字电路单元的性能分析，未将有关数字前端设计部分的Verilog/VHDL语言的代码编写、仿真及综合等内容加入进来。这让学生对数字前端设计的认识仅限于书本上的介绍，没有亲身体会其设计流程，学习效果差。

模拟集成电路原理与设计的理论课时为34学时，课程设计课时为期一周。由于理论课程学时太短，对典型的模拟电路模块如运算放大器、基准电压源、ADC及DAC电路等部分的讲解深度不够。由于没有配套的实验课程，导致学生没有机会理清模拟集成电路设计过程中需要考虑的问题，不清楚应该从哪些问题开始入手，如何将手工计算结果与软件仿真结果相对比，以及如何优化电路的仿真结果以满足技术指标的要求等，无法将理论内容转化为实践知识。

集成电路版图设计的理论课时为26学时，实验学时为18学时。由于任课教师没有真正参与过具体的工程项目，而该门课程的性质又与实际联系得特别紧密，造成教师在授课过程中对相关知识理解得不深入、不透彻，讲解得不到位、不全面。这需要学校为教师提供进一步提升理论水平和实践水平的机会，才能更好地教授学生。其实验课程同样由于所使用的EDA工具不是行业内最流行的软件，无法让学生更加清楚地理解元件版图的含义[5]，无法让学生掌握修改版图设计中的设计规则错误以及LVS（电路图与版图的一致性检查）错误的方法，开设的实验课程内容不能很好地激发学生的学习兴趣，使实验教学流于表面，不够深入。

4 实验课程教学改革

鉴于以上集成电路方向一系列的实验教学中存在的问题，可以从以下几个方面来加以改进，以加强教学效果，激发学生学习兴趣。

硬件、软件要跟上 河北大学“光伏技术虚拟仿真实验教学中心”于2016年获批国家级虚拟仿真实验教学中心，集成电路系列实验是光伏技术虚拟仿真教学中心的重要组成部分。以此为契机，学校已购买用于安装主流集成电路设计EDA工具的服务器及工作站，Linux操作系统也已安装完成，加上实验室原来的设备，从硬件上已经对实验的教学改革做好准备。

软件方面需要在服务器上安装集成电路设计EDA工具及工艺PDK文件。很多EDA软件公司有专门针对高校的大学计划，高校购买相关软件的价格也相对要便宜很多[6]。目前，业内主流的集成电路设计软件为Cadence系列软件。Cadence IC Design是一个完整的全定制设计平台，包括Schematic Composer（电路图设计）、Spectre（仿真）、Virtuoso（版图编辑工具）及Assura、Dracula、Diva（三个都是物理验证工具）等。软件的购买及安装工作已经与相关厂商进行商谈，学校也已提供相应的经费支持。工艺PDK文件需要跟foundry联系，如SMIC（中芯国际）、TSMC（台积电）、华润上华等，也可联系MPW（多项目晶圆）中间商来拿到PDK文件。

改进教学方法 为了提高面向集成电路设计学生的专业竞争力，就必须对集成电路方向的教学体系设置进行改革，延长学生实际动手操作时间，让学生亲身体会设计的整个流程[7]。在有限的实验学时背景下，为了提高学习质量，可以将实验教学与课堂教学有机结合起来，将与实际应用联系紧密、通过动手操作更易于理解的教学内容放在实验室来讲解。教师可以把验证型实验题目融进课堂，在讲解到与实验题目相应的知识点时，先将该知识点详细讲解一遍，说明其中需要注意的细节，然后让学生在课堂上完成相应的实验操作，鼓励学生尝试自己解决实验过程中遇到的困难和问题，体现学习的成就感。在真正的实验教学环节，应逐渐减少甚至取消验证型实验题目，增大综合型、设计型实验项目的比重，在有限的实验教学时间内让学生有更多的机会学习到更多的实践经验。

河北大学目前已经将集成电路版图设计的理论教学放进实验室授课。这种灵活的教学方式不但可以促进知识的同步消化，而且加快了将理论知识转化为实践经验的步伐。教师也可以将工程案例或自己的科研项目贯穿于课程的理论、实验和作业中，通过具体的案例教学使学生掌握集成电路的前端和后端设计流程[8]。

加强课堂外学习资源建设 基于河北大学“光伏技术虚拟仿真实验教学中心”平台，继续探索开发形式多样的网络实验教学模式。将Cadence工具的基本操作方法、CMOS集成电路典型的前端/后端设计流程、所需的知识储备、反向设计的版图影像、版图的层次以及容易出错实验项目的实验过程等，以图片、PPT、动画、视频及MOOC的形式展现在网络平台上，以有效减少教师的重复讲解，提高课堂效率，让学生对相关知识获得更直观、更准确的认识。

通过积极参赛提高学生实践能力 当集成电路设计硬件、软件都已落实，且相关实验开设基本成熟之后，教师可以带领学生参加校内外的集成电路设计大赛。在外出参赛之前，可以先组织学生参加校级的电子设计竞赛，通过查阅资料、小组讨论、网络询问及向资深教师或企业工程师请教等途径，发现并解决所遇到的问题，积累比赛经验。

由北京市教委和北京电子学会主办的全国大学生集成电路设计大赛至2018年已成功举办八届，已成为国内这一领域最有影响力的赛事之一。大赛的主要目的在于发现和培养优秀的集成电路设计人才，促进高校与企业的深入合作和交流，提高学生的动手实践能力和创新能力。从未参加过此类比赛的普通高校要勇于尝试，克服恐惧心理，在参赛过程中积极向其他团队学习，了解其设计特点及优势，找到自身不足，总结出提升自身能力的办法。通过参赛，学生经历从电路设计、版图设计到验证甚至流片测试的各個环节，提高综合训练能力[9]。

5 结语

集成电路方向开设的系列实验是电子科学与技术专业培养和提高学生动手动脑能力的重要实验课程。通过与国内其他高校电子科学与技术专业集成电路方向实验课程的对比，提出普通高校可能存在的问题以及解决问题的方法。对集成电路系列实验进行改革，可以让学生接触到集成电路行业内流行的EDA设计软件，清晰了解集成电路前端设计和后端设计的流程，掌握从电流设计到版图设计的各个环节及需要注意的问题，提高学习质量，为更好地就业做好充分的准备。教学改革应该是与时俱进的，学校应鼓励更多的教师到企业和高校去参观、交流、访问和学习，以便更好更全面地进行教学改革，进一步明确和突出人才培养的目标，为培养就业型和科研型毕业生而努力。

参考文献

[1]孙德明，马海龙，牛玉超，等.设立实验室科技助理 提高学生创新能力[J].实验室研究与探索，2012（4）：85-87.

[2]熊宏齐，戴玉蓉，郑家茂.实验教学改革与实验室建设规划的研究与实践[J].实验室技术与管理，2008（10）：1-4，8.

[3]鞠家欣，鲍嘉明，等.探索微电子专业实践教学新方法：以“集成电路版图设计”课程为例[J].实验技术与管理，2012，29（3）：280-282.

[4]肖功利，杨宏艳.微电子学专业IC设计人才培养主干课程设置[J].桂林电子科技大学学报，2009，29（4）：338-340.

[5]郭启芳，王守义，等.依托部级质检中心平台建设促进教学科研发展[J].实验室研究与探索，2011（3）：240-242.

[6]殷树娟，齐臣杰.集成电路设计的本科教学现状及探索[J].中国电力教育，2012（4）：64-65.

[7]张立军，羊箭锋，孙燃.CMOS集成电路设计教学及实验改革[J].电气电子教学学报，2012，34（1）：105-107.

[8]趙琳娜，虞致国，梁海莲，等.集成电路设计类课程的改革探索[J].无锡职业技术学院学报，2015，14（4）：38-40.

[9]施敏，张振娟，黄静，等.集成电路版图CAD课程实践教学的研究[J].中国现代教育装备，2014（3）：43-44，47.

基金项目：河北大学研究生示范课程建设项目“电子科学与技术一级学科专业英语示范课程建设”（201701）;河北省自然科学基金资助项目“Li2FeSiO4正电极材料的水热生长动力学与电化学特性调控研究”（F2017201130）;国家杰出青年基金资助项目“光热耦合电源器件建模及基础问题研究”（61204079）;河北省研究生示范课程建设项目“电子科学与技术一级学科专业英语示范课程建设”（KCJSX2018003）。

作者：李祺，河北大学电子信息工程学院;师建英，通讯作者，河北大学电子信息工程学院，讲师，研究方向为电路设计及集成电路设计;闫小兵，通讯作者，河北大学电子信息工程学院，教授，研究方向为阻变材料和阻变存储器的研究（071002）。