数字集成电路课程教学改革探索

韩宋佳，刘洪山

（华南农业大学电子工程学院（人工智能学院）广东 广州 510624）

集成电路已成为支撑现代经济社会发展的战略性、基础性和先导性产业，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量，已成为全球各国在高科技竞争中的战略制高点[1-2]。为了促进我国本土集成电路的发展，我国高度重视集成电路行业的人才培养。高校作为人才培养的主阵地，应紧密结合集成电路行业的产业发展需求，及时调整课程设置、教学计划和教学方式，对培养复合型、实用型的高水平集成电路人才，提升我国集成电路行业的国际竞争力，具有重要的意义[3-4]。

1 数字集成电路课程教学内容探析

本专业数字集成电路设计课程选择朱恩、胡庆生编的《专用集成电路设计》一书作为主用教材，参考辅材选择王志功和沈永朝编写的《集成电路设计基础》。课程理论学时共48 学时（含VR 教学6 学时，产学研教学4 学时），实验教学共16 学时。其中教学主要内容包括：集成电路概述、集成电路工艺及版图、金属氧化物半导体（MOS）晶体管电路基础、常用互补金属氧化物半导体(CMOS)数字集成电路、系统级电路设计、集成电路测试、集成电路模拟与验证，教学内容涵盖数字集成电路的基本理论知识、常用逻辑电路仿真及逻辑电路版图设计软件实践应用等方面。

基础理论教学内容，主要从构成集成电路的最基本半导体器件MOS 晶体管的基本制造工艺、版图设计规则和基本物理电学特性（转移特性、输出特性等）出发，然后进一步介绍构成CMOS集成电路的几种基础逻辑门电路，如反相器、静态逻辑门电路、动态逻辑门电路等，使学生了解并掌握如何通过CMOS 晶体管实现基本逻辑运算。随后再进入系统级集成电路设计部分，包括半定制设计和全定制设计，学生了解并掌握不同设计路线的优缺点以及适用的设计对象。随后，介绍集成电路测试和可测性设计，学生了解集成电路测试流程以及常见的测试向量生成和可测性设计基本原理。最后，介绍集成电路设计过程中用到的模拟验证软件。

结合授课内容，针对传统的理论教学方式，在课堂教学中引入VR 教学和实验教学。将理论教学中集成电路的最基本半导体器件MOS晶体管的基本制造工艺，改为VR教学模式，利用虚拟仿真技术，为学生提供更为真实的集成电路行业生成制造流程。而对第八章集成电路设计软件，选择实验教学模式，通过实验的方式，使学生熟悉常见的电路仿真软件使用，并完成基本逻辑电路的仿真计算。同时构建产学研融合的教学模式，结合学校所在大湾区的电子信息产业链条优势，邀请集成电路行业头部企业技术专家作为企业导师开展培训讲座，增加学生与行业最前端的交流机会，使学生了解课程在行业中的实际应用，学习更有目的性和针对性。整个课程设置多样化，包含理论教学、VR 教学、实验教学和企业实践四个模块，从而构建更适应集成电路行业发展需求的“新型集成电路专业人才”培养的综合实践教学体系。

2 数字集成电路课程教学方法探析

2.1 理论教学

在理论教学过程中，传统的教学方式往往是老师几乎全程讲授，虽然教师可以通过提问增加课堂的互动性，但大部分学生仍然长时间处于被动听讲状态，课堂互动性差，学生学习积极性不高[5]。因此，在本教学改革过程中，首先通过引入多元的教学模式，改变传统的教师讲授，学生被动听讲的授课方式，让学生更多地参与到课堂学习中。具体模式如下：

①对于集成电路行业的概述，因为“数字集成电路”的前置课程“半导体物理”“数字电路”和“模拟电路”等课程中都有所涉及，因此可以选择通过学生分组进行课堂报告+教师补充完善的教学形式，由学生来介绍集成电路行业从第一个晶体管的发明到现在由数亿个晶体管构成的集成电路芯片的历程，介绍集成电路行业制造工艺、器件结构和电路设计的发展特点和未来趋势。通过课堂报告的形式，一方面学生可以在收集资料过程中加深对集成电路行业的了解，另一方面，通过对比讲述国内外集成电路行业的发展现状，学生可以深入了解到我国集成电路目前的发展现状与不足，潜移默化地激发学生的爱国热情和奋斗精神，从而将思政教育融入课堂知识中。

②另一方面，对于晦涩难懂的理论概念，教师可以采用多媒体形式课件，增加小动画或者小视频，使理论知识的讲述更为清晰明了，让学生能够更好地了解并掌握理论知识概念。

③此外还可以引入分组讨论加辩论的模式。例如，在集成电路系统级设计部分的半定制设计的授课过程中，可以将学生分为门阵列小组、标准单元小组、现场可编程门阵列（FPGA）小组等，通过小组讨论，学生可以了解并掌握不同集成电路设计方法的优缺点，以及根据不同的集成电路设计要求，选择合适的集成电路设计方法。

2.2 VR 教学

集成电路生产制造包含氧化工艺、离子注入、光刻、薄膜沉积等工艺，一条完整的集成电路生产线需投入上亿甚至更高的资金。集成电路制造所涉及的仪器多为大型仪器，需专门的技术人员管理，学生需要经过培训考核才可使用仪器。且集成电路制造实验室为洁净间，每年实验室场地维护、各种仪器的日常运行和维护都需要大量的人力与财力的投入[6]。因此，学校很难建设一条用于本科教学的集成电路加工产线。在缺乏实验室的情况下，学生对集成电路制造过程中涉及的各种微纳加工工艺往往缺乏直观的了解。虽然可通过课堂播放视频的形式，对集成电路制造工艺进行介绍，但视频多以科普介绍为主，学生很难直观了解到集成电路制造过程中各种因素对器件结构及性能的影响。

本课程结合学院建设的集成电路虚拟仿真实验室（包含集成电路制造和半导体表征测试），将原本课堂理论教学的集成电路工艺改为VR 实践教学，学生可以在虚拟平台进行晶圆制造、蒸镀薄膜、离子注入、扩散、光刻、刻蚀、磁控溅射等工艺操作，完成芯片制造流程。并且可以对制造过程中各项工艺的关键参数进行简单调控，从而获得具有不同电学性能的产品。并通过VR 实践教学中包含的半导体表征测试对产品性能进行表征。VR 实践教学使学生不仅能够掌握基本的微纳加工工艺技术和制造流程，而且学生可以更为直观地了解到器件制造工艺如何影响半导体器件性能，从而与理论课教学中晶体管基本物理性能部分相联系，使理论教学内容得到再次巩固。

2.3 实验教学

集成电路设计作为实践性和应用性极强的行业，要求学生除了掌握基本的电路理论知识和分析技能以外，还需了解集成电路设计常用的几种EDA 工具。因此，在教学课程设置中，选择Spice 电路仿真和版图设计作为实验教学课程。Spice 作为最早的电子设计自动化软件，截至今天仍然广泛地被应用在集成电路设计领域。例如精确数字电路（例如延时、时序、功耗、漏电流等），建立SoC 的时序及功耗单元库，分析系统级的信号完整性。具体实验内容如表1（p91）所示，对应理论教学第二章版图设计规则、第四章基本CMOS 逻辑门、第八章集成电路模拟与验证。使学生能够掌握基本的电路仿真软件Spice和华大九天版图软件的使用。同时通过设计验证实验，学生在对电路拓扑结构设计和关键电路参数（沟道尺寸、电容大小、晶体管模型等）的设置优化过程中，可直接观察到相对应的电路输出曲线变化。相较于理论教学中的文字、公式解释，采用仿真实验教学可以使学生通过调整电路关键参数指标，诱导电路输出波形变化，更为直观地了解电路工作模式和电路分析方法，对电路设计有初步的学习和理解，并且能够激发学生思考的动力，从传统理论教学模式下的被动型电路分析学习，转化为主动学习过程。并通过与前期的理论教学相结合，使学生对电路基本理论概念的掌握再次得到巩固，从而提高数字集成电路课程的教学效果。

表1 数字集成电路设计课程实验

2.4 企业实践交流

聘请企业导师走进课堂，使原本理论化的集成电路教学能联系企业实际应用需求。在课堂教学中，企业导师结合自身工作中的真实案例，介绍集成电路行业最新发展技术与行业发展前景；学生则从企业的角度出发，了解集成电路行业最新的发展需求和不同岗位的职业能力要求，更好地规划自己未来的职业发展方向，不断提升专业知识与技能。另外，假期期间组织学生进入企业，参与集成电路设计等企业实训营项目，学生在企业导师的指导下独立查阅资料、设计、安装和调试实现功能的代码文件。实训课程主要包括：“常用外设及其应用实践”“蓝牙Wi—Fi共存抗干扰策略”“人脸识别原理及其应用”“Matter 协议入门到应用”。

通过企业实训，一方面学生可以接触到真实的工作环境和项目，另一方面，实训过程中学生通过共同合作，解决项目难题，不仅使学生的专业知识得到巩固，提升其动手实践能力，而且能够加强学生的团队合作能力。

3 结束语

数字集成电路课程教学方式的改革，将原本抽象枯燥的单一性传统课堂理论教学转变为包含理论教学、VR 教学、实验教学、企业实践的多元化教学模式，增加了课程学习的实操性和互动性，有效地激发了学生对本门课程的学习兴趣，提高了学生的实际应用能力，使学生对数字集成电路专业知识的掌握更为扎实。在此基础上，后续将进一步融合线上线下混合式教学，继续优化课程教学模式，并逐步探索将该方案应用于模拟集成电路设计课程。