高校集成电路设计教学思考

0引言

高校专业及课程的设置应该与社会发展相适应，才能更好地发挥学校的功能，源源不断地为相关产业输送所需的人才，推动社会快速地发展。《国家集成电路产业发展推进纲要》明确指出：“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，当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期。”因此，高校有必要加大集成电路相关专业及课程的改革力度，以满足国家集成电路产业的发展需求。

1集成电路设计相关教学的重要性

虽然改革开放以来，我们国家在几乎各个领域都取得了举世瞩目的成就，甚至很多高技术电子产品也都可以自主研发。但是事实上，由于我们自己不能自主设计制造作为核心技术的集成电路，必须从国外购买，所以一方面给我们的国防、关键基础行业等增加了不可预知的风险，另一方面也使我们相关产业的公司利润极低，极大地制约了其发展。客观地讲，我国在集成电路技术研究方面的起步不算太晚，但是由于各种原因，前期进展缓慢，相反欧美日等发达国家却抓住契机飞速发展，因此导致我们与这些发达国家的差距越来越大。1999年从德国学成归来的王志功教授起草了《关于国家设立集成电路设计人才培养专项基金，开展中国芯片工程的建议》，呈送给中央相关部委，得到了李岚清副总理等中央领导的高度重视，进而制定了正确的发展战略，从而使我国在集成电路领域掀起一轮研究热潮。经过十余年的发展、积累，我国集成电路相关的产业链逐渐完善，且培养了大批具有相关知识背景的高素质人才。随后，国家也在政策资金等方面，不失时机地给以引导培育。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》《、电子信息制造业“十二五”发展规划》《、集成电路产业“十二五”发展规划》等重要文件中强调了要大力发展集成电路。尤其，在2014年6月工业和信息化部公布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，并随后设立了“国家集成电路产业投资基金”。高校肩负着为社会输送所需的高素质人才的使命，因此为了配合国家集成电路产业发展的大战略，高校应该及时了解集成电路产业发展对人才素质的需求变化，不断审查、完善、革新集成电路相关的课程及教学。

2集成电路设计相关课程配置的协调性

无生产线设计模式称为大陆集成电路产业的基本模式，更具体地讲，当前集成电路产业主要分为设计、制造、封装和测试几个相对独立的部分，相应地，高校就应该设立相应的专业方向及课程，使学生能够掌握相应的专业技能，以便于毕业后能够胜任相关领域的工作。然而，作为一个大学生来讲，由于大学期间课程学时有限，不可能仅仅通过课堂的学习掌握所有知识，所以应该有针对性地、系统地协调相关课程的学期安排及课程类型安排，一方面要保证每一方向课程体系的完整连贯性，另一方面又能给学生以足够的自由选修其它的相关方向的课程。比如，大一可以安排认知实习或相关课程，通过深入浅出的讲解，可以让学生对整个集成电路产业链及技术链有一个宏观的系统认识，也利于学生有目的性地选择感兴趣的、想深入学习研究的专业方向及其所需的相应课程；大二、大三则应该安排一些专业基础课及专业选修课，一方面要考虑到覆盖面、保证每个方向的课程完整性，另一方面要确保课程安排的顺序正确，课程类型合适；大四可以安排方向性更强的专业限选课及毕业设计。集成电路设计、制造、封装和测试又是密不可分的，王志功教授认为一个合格的集成电路设计人员应该具备系统、电路、器件、工艺及工具几个方面的知识。下面我们主要从具有代表性的集成电路设计角度来讨论。具体到特定高校，特别是集成电路相关专业开设时间不长的高校，由于学科及课程设置的历史原因以及集成电路相关师资力量、实验环境建设需要时间周期较长，所以不可能一蹴而就地开设所有相关的课程。通常，传统通信系统专业比较强的院系课程会偏重系统、电路以及工具等，而传统微电子专业比较强的院系则课程会更偏重工艺、器件、电路及工具等。总而言之，电路及其设计工具是集成电路设计的核心知识，因此我们也将以其为核心来讨论，兼顾一下其它相关的课程。

3集成电路设计相关教学的实施建议

从目前大学本科教育来看，集成电路设计相关的课程大体可以分为三类：模拟集成电路设计、数字集成电路设计、可编程逻辑器件的开发。至于射频/微波集成电路设计、光纤/超高速集成电路设计以及功率集成电路设计，设计流程及工具基本类同于模拟集成电路设计，但需要更专的专业知识，比较适合作为大四的专业限选课，甚至研究生的专业课程。图1给出了集成电路相关课程的简略关系。ARM/DSP/单片机等嵌入式设计虽然传统上不被包括进集成电路设计的范畴，但是两者存在很大相关性，且目前很多CPLD/FPGA器件中也包含各种类型可配置的处理器核，因此在也把嵌入式开发加了进去。需要说明的是，图1所示的课程名在不同学校的可能有不同的叫法，其实即使名称相同的课程所讲授的内容也可能不尽相同，甚至大相径庭。模拟集成电路设计相关课程在各高校应该差异不大，一般都是先开设了模拟电路设计，然后再开模拟集成电路设计，当然通常都是CMOS模拟集成电路设计。关于数字集成电路设计，虽然可能各高校的课程名甚至教材名称也很相近，但课程或教材讲授的内容却可能差别很大，有些偏重于底层电路逻辑，有些偏重于上层硬件描述语言，还有些可能偏重于EDA工具的使用。如果从产业对数字集成电路人才需求的角度来看，由于数字集成电路自动化程度很高，除了标准单元库或光纤/超高速集成电路等特殊设计外，基本上都是靠硬件描述语言甚至更高级的语言通过自动化综合一步一步实现的，很少直接接触到底层的逻辑实现，所本科数字集成电路教学应该偏重实用的硬件描述语言和自动化设计原理及工具，以适应EDA技术的发展及产业的需求。关于CPLD/FPGA可编程逻辑器件的开发，实际上其前端流程与基于标准单元的数字集成电路设计的前端流程基本相同，所以相关课程可以共享，而对于后端设计则差异较大，不过从所需知识来讲，数字集成电路后端步骤更全面，CPLD/FPGA器件的后端开发相当于前者的有限简化。通常在开发数字集成电路时，也经常采用CPLD/FPGA器件来验证。集成电路与CAD课程其实是与模拟集成集成电路设计和数字集成电路设计相配套的仿真工具相关的理论及实践课程，讲解集成电路电路设计的详细流程及每个步骤的作用及原理；讲授集成电路相关的描述语言比如模拟集成电路的SPICE语言，数字集成电路的Verilog/VHDL语言；让学生熟悉常用软件，如Cadence、Synopsys公司集成电路设计软件的操作；能用这些工具仿真验证模拟集成集成电路设计和数字集成电路设计理论课程所讲授的电路理论，或者可以利用EDA工具结合所学到的集成电路理论，设计简单的集成电路，达到理论与实践的统一。总而言之，个人认为集成电路设计相关课程教学要注意以下几点：

1）注意课程体系设置的协调性。一方面要避免知识体系彼此断裂，另一方面也要避免不同的课程所讲授的内容重叠过多。当然适度的内容交叉有利于课程之间的衔接，且如果课程有涉及较多相同内容的话，也可以在内容难度上拉开差距。

2）要注意理论课程与实践课程的结合。集成电路设计的工程性极强，一方面要注意理论学习的系统性与实用性，另一方面理论必须与实践结合才不至于僵化变成死知识。当然由于流片成本很高、周期很长，所以这里的实践更多指的是仿真验证。

3）要及时更新教材及授课内容。虽然电路的基本理论大体已经成熟，但是由于集成电路工艺以及工具发展日新月异，所以授课的内容就应该紧跟技术发展的步伐。比如，目前从C语言到Verilog语言的高级综合已经成熟并市场化，那么课堂教学就应该包括这些内容。

4）鼓励学生假期去实习或参加研究生的科研项目。

4小结

我国正处在集成电路发展的黄金时期，高校应该把握时机加大集成电路师资力量和实验环境的投入，努力优化集成电路相关的课程体系、积极更新授课内容以满足日新月异的集成电路产业对高素质人才的需求。集成电路设计在整体集成电路相关的几个方向中占据着重要的地位，本文深入探讨了集成电路设计相关的课程设置及授课内容等相关内容，并结合自己多年的教学实践及思考给出了建议。

作者：张长春 单位：南京邮电大学电子科学与工程学院