集成電路教學全文(5篇)

0引言

高校專業(yè)及課程的設置應該與社會發(fā)展相適應，才能更好地發(fā)揮學校的功能，源源不斷地為相關產業(yè)輸送所需的人才，推動社會快速地發(fā)展。《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》明確指出：“集成電路產業(yè)是信息技術產業(yè)的核心，是支撐經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)，當前和今后一段時期是我國集成電路產業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期和攻堅期。”因此，高校有必要加大集成電路相關專業(yè)及課程的改革力度，以滿足國家集成電路產業(yè)的發(fā)展需求。

1集成電路設計相關教學的重要性

雖然改革開放以來，我們國家在幾乎各個領域都取得了舉世矚目的成就，甚至很多高技術電子產品也都可以自主研發(fā)。但是事實上，由于我們自己不能自主設計制造作為核心技術的集成電路，必須從國外購買，所以一方面給我們的國防、關鍵基礎行業(yè)等增加了不可預知的風險，另一方面也使我們相關產業(yè)的公司利潤極低，極大地制約了其發(fā)展?？陀^地講，我國在集成電路技術研究方面的起步不算太晚，但是由于各種原因，前期進展緩慢，相反歐美日等發(fā)達國家卻抓住契機飛速發(fā)展，因此導致我們與這些發(fā)達國家的差距越來越大。1999年從德國學成歸來的王志功教授起草了《關于國家設立集成電路設計人才培養(yǎng)專項基金，開展中國芯片工程的建議》，呈送給中央相關部委，得到了李嵐清副總理等中央領導的高度重視，進而制定了正確的發(fā)展戰(zhàn)略，從而使我國在集成電路領域掀起一輪研究熱潮。經過十余年的發(fā)展、積累，我國集成電路相關的產業(yè)鏈逐漸完善，且培養(yǎng)了大批具有相關知識背景的高素質人才。隨后，國家也在政策資金等方面，不失時機地給以引導培育。《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》《、電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《、集成電路產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中強調了要大力發(fā)展集成電路。尤其，在2014年6月工業(yè)和信息化部公布了《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》，并隨后設立了“國家集成電路產業(yè)投資基金”。高校肩負著為社會輸送所需的高素質人才的使命，因此為了配合國家集成電路產業(yè)發(fā)展的大戰(zhàn)略，高校應該及時了解集成電路產業(yè)發(fā)展對人才素質的需求變化，不斷審查、完善、革新集成電路相關的課程及教學。

2集成電路設計相關課程配置的協(xié)調性

無生產線設計模式稱為大陸集成電路產業(yè)的基本模式，更具體地講，當前集成電路產業(yè)主要分為設計、制造、封裝和測試幾個相對獨立的部分，相應地，高校就應該設立相應的專業(yè)方向及課程，使學生能夠掌握相應的專業(yè)技能，以便于畢業(yè)后能夠勝任相關領域的工作。然而，作為一個大學生來講，由于大學期間課程學時有限，不可能僅僅通過課堂的學習掌握所有知識，所以應該有針對性地、系統(tǒng)地協(xié)調相關課程的學期安排及課程類型安排，一方面要保證每一方向課程體系的完整連貫性，另一方面又能給學生以足夠的自由選修其它的相關方向的課程。比如，大一可以安排認知實習或相關課程，通過深入淺出的講解，可以讓學生對整個集成電路產業(yè)鏈及技術鏈有一個宏觀的系統(tǒng)認識，也利于學生有目的性地選擇感興趣的、想深入學習研究的專業(yè)方向及其所需的相應課程；大二、大三則應該安排一些專業(yè)基礎課及專業(yè)選修課，一方面要考慮到覆蓋面、保證每個方向的課程完整性，另一方面要確保課程安排的順序正確，課程類型合適；大四可以安排方向性更強的專業(yè)限選課及畢業(yè)設計。集成電路設計、制造、封裝和測試又是密不可分的，王志功教授認為一個合格的集成電路設計人員應該具備系統(tǒng)、電路、器件、工藝及工具幾個方面的知識。下面我們主要從具有代表性的集成電路設計角度來討論。具體到特定高校，特別是集成電路相關專業(yè)開設時間不長的高校，由于學科及課程設置的歷史原因以及集成電路相關師資力量、實驗環(huán)境建設需要時間周期較長，所以不可能一蹴而就地開設所有相關的課程。通常，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)專業(yè)比較強的院系課程會偏重系統(tǒng)、電路以及工具等，而傳統(tǒng)微電子專業(yè)比較強的院系則課程會更偏重工藝、器件、電路及工具等?？偠灾娐芳捌湓O計工具是集成電路設計的核心知識，因此我們也將以其為核心來討論，兼顧一下其它相關的課程。

3集成電路設計相關教學的實施建議

摘要：為了培養(yǎng)率集成電路技術人才，在集成電路實驗教學中，提出采用PBL模式開展集成電路實驗教學，以問題為導向，分析電路原理、綜合CMOS工藝流程、完成集成電路設計任務。在集成電路實驗教學實踐中，根據教學目標制定問題，應用PBL模式使學生加深理解CMOS工藝和集成電路功能實現(xiàn)之間的聯(lián)系，激發(fā)了學生的專業(yè)興趣，提高了教學質量，具有良好的教學實踐價值。

關鍵詞：集成電路；PBL；實踐教學；創(chuàng)新能力

引言

在電子信息化時代，集成電路已經廣泛應用、并直接影響日常生活、生產制造、和軍工國防，半導體集成電路已經成為社會發(fā)展的重要生產力之一，為此需要大力發(fā)展半導體集成電路工業(yè)，大力培育半導體集成電路技術人才。高校實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力重要基地，開展實踐與創(chuàng)新相結合的實驗教學，才能更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子技術人才[1]。集成電路是一種技術更新周期非常短的行業(yè)，教學中傳統(tǒng)課程內容不符合實際工作需要，過多的偏重于數字系統(tǒng)和模擬電路設計理論[2]，缺乏綜合性[3]，實踐性內容較多、難度較大，對學生理論基礎要求高，學生積極性不高[4]，達不到實際的教學效果。為此把問題導向教學模式（ProjectBasedLearning，PBL）引入集成電路實驗教學，開展實驗教學探索，用問題引導學生將集成電路工藝和半導體器件的集成電路版圖設計結合起來，提高實驗教學質量，實踐證明，采用PBL模式開展集成電路實驗教學，引導學生理論聯(lián)系實踐，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，具有良好的教學實踐意義。

1PBL教學模式

PBL是讓學生以小組的形式，自發(fā)地解決課程學習中的實際問題以及問題背后的科學真理，將學習過程置身于解決復雜問題的情景中，從而調動學生的主觀能動性[5]。PBL有三大基本要素：問題情境、學生和教師。首先從問題出發(fā)，問題情境是課程的組織核心，學生根據這一個問題情境，分析，尋找解決問題的最優(yōu)方法，理解問題在現(xiàn)實中的意義；學生是問題的求解者，學生經過思考，在老師的指導下，通過小組合作，確定問題如何解決，通過這種途徑的學習，把新舊知識整合；教師是學生的解決問題的伙伴和指導者，在學生碰到困難時，進行解疑答惑，為學生解決問題營造良好的學習環(huán)境和氛圍[6]。在集成電路實驗教學過程中，由于集成電路加工設備非常昂貴，加工周期很長，在實驗教學中無法實現(xiàn)，為此在實驗教學中需要完成的教學目標是：學生根據CMOS工藝要求設計集成電路，而且設計的集成電路必須符合CMOS工藝流程和設計規(guī)則。在這個情景問題中，學生把CMOS工藝每一個步驟的具體內容、CMOS工藝流程、電路原理、電路功能的學習內容綜合起來，才能讓設計的集成電路在加工完成后實現(xiàn)預期的功能。

2PBL教學模式在集成電路實驗教學中的實施

一、完善課程設置

合理設置課程體系和課程內容，是提高人才培養(yǎng)水平的關鍵。2009年，黑龍江大學集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)制定了該專業(yè)的課程體系，經過這幾年教學工作的開展與施行，發(fā)現(xiàn)仍存在一些不足之處，于是在2014年黑龍江大學開展的教學計劃及人才培養(yǎng)方案的修訂工作中進行了再次的改進和完善。首先，在課程設置與課時安排上進行適當的調整。對于部分課程調整其所開設的學期及課時安排，不同課程中內容重疊的章節(jié)或相關性較大的部分可進行適當刪減或融合。如：在原來的課程設置中，“數字集成電路設計”課程與“CMOS模擬集成電路設計”課程分別設置在教學第六學期和第七學期。由于“數字集成電路設計”課程中是以門級電路設計為基礎，所以學生在未進行模擬集成電路課程的講授前，對于各種元器件的基本結構、特性、工作原理、基本參數、工藝和版圖等這些基礎知識都是一知半解，因此對門級電路的整體設計分析難以理解和掌握，會影響學生的學習熱情及教學效果；而若在“數字集成電路設計”課程中添加入相關知識，與“CMOS模擬集成電路設計”課程中本應有的器件、工藝和版圖的相關內容又會出現(xiàn)重疊。在調整后的課程設置中，先開設了“CMOS模擬集成電路設計”課程，將器件、工藝和版圖的基礎知識首先進行講授，令學生對于各器件在電路中所起的作用及特性能夠熟悉了解；在隨后“數字集成電路設計”課程的學習中，對于應用各器件進行電路構建時會更加得心應手，達到較好的教學效果，同時也避免了內容重復講授的問題。此外，這樣的課程設置安排，將有利于本科生在“大學生集成電路設計大賽”的參與和競爭，避免因學期課程的設置問題，導致學生還未深入地接觸學習相關的理論課程及實驗課程，從而出現(xiàn)理論知識儲備不足、實踐操作不熟練等種種情況，致使影響到參賽過程的發(fā)揮。調整課程安排后，本科生通過秋季學期中基礎理論知識的學習以及實踐操作能力的鍛煉，在參與春季大賽時能夠確保擁有足夠的理論知識和實踐經驗，具有較充足的參賽準備，通過團隊合作較好地完成大賽的各項環(huán)節(jié)，贏取良好賽果，為學校、學院及個人爭得榮譽，收獲寶貴的參賽經驗。其次，適當降低理論課難度，將教學重點放在掌握集成電路設計及分析方法上，而不是讓復雜煩瑣的公式推導削弱了學生的學習興趣，讓學生能夠較好地理解和掌握集成電路設計的方法和流程。第三，在選擇優(yōu)秀國內外教材進行教學的同時，從科研前沿、新興產品及技術、行業(yè)需求等方面提取教學內容，激發(fā)學生的學習興趣，實時了解前沿動態(tài)，使學生能夠積極主動地學習。

二、變革教學理念與模式

CDIO（構思、設計、實施、運行）理念，是目前國內外各高校開始提出的新型教育理念，將工程創(chuàng)新教育結合課程教學模式，旨在緩解高校人才培養(yǎng)模式與企業(yè)人才需求的沖突[4]。在實際教學過程中，結合黑龍江大學集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“數?；旌霞呻娐吩O計”課程，基于“逐次逼近型模數轉換器（SARADC）”的課題項目開展教學內容，將各個獨立分散的模擬或數字電路模塊的設計進行有機串聯(lián)，使之成為具有連貫性的課題實踐內容。在教學周期內，以學生為主體、教師為引導的教學模式，令學生“做中學”，讓學生有目的地將理論切實應用于實踐中，完成“構思、設計、實踐和驗證”的整體流程，使學生系統(tǒng)地掌握集成電路全定制方案的具體實施方法及設計操作流程。同時，通過以小組為單位，進行團隊合作，在組內或組間的相互交流與學習中，相互促進提高，培養(yǎng)學生善于思考、發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，鍛煉學生團隊工作的能力及創(chuàng)新能力，并可以通過對新結構、新想法進行不同程度獎勵加分的形式以激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)新力。此外，該門課程的考核形式也不同，不是通過以往的試卷筆試形式來確定學生得分，而是以畢業(yè)論文的撰寫要求，令每一組提供一份完整翔實的數據報告，鍛煉學生撰寫論文、數據整理的能力，為接下來學期中的畢業(yè)設計打下一定的基礎。而對于教師的要求，不僅要有扎實的理論基礎還應具備豐富的實踐經驗，因此青年教師要不斷提高專業(yè)能力和素質。可通過參加研討會、專業(yè)講座、企業(yè)實習、項目合作等途徑分享和學習實踐經驗，同時還應定期邀請校外專家或專業(yè)工程師進行集成電路方面的專業(yè)座談、學術交流、技術培訓等，進行教學及實踐的指導。

三、加強EDA實踐教學

首先，根據企業(yè)的技術需求，引進目前使用的主流EDA工具軟件，讓學生在就業(yè)前就可以熟練掌握應用，將工程實際和實驗教學緊密聯(lián)系，積累經驗的同時增加學生就業(yè)及繼續(xù)深造的機會，為今后競爭打下良好的基礎。2009—2015年，黑龍江大學先后引進數字集成電路設計平臺Xilinx和FPGA實驗箱、華大九天開發(fā)的全定制集成電路EDA設計工具Aether以及Synopsys公司的EDA設計工具等，最大可能地滿足在校本科生和研究生的學習和科研。而面對目前學生人數眾多但實驗教學資源相對不足的情況，如果可以借助黑龍江大學的校園網進行網絡集成電路設計平臺的搭建，實現(xiàn)遠程登錄，則在一定程度上可以滿足學生在課后進行自主學習的需要[5]。其次，根據企業(yè)崗位的需求可合理安排EDA實踐教學內容，適當增加實踐課程的學時。如通過運算放大器、差分放大器、采樣電路、比較器電路、DAC、邏輯門電路、有限狀態(tài)機、分頻器、數顯鍵盤控制等各種類型電路模塊的設計和仿真分析，令學生掌握數字、模擬、數模混合集成電路的設計方法及流程，在了解企業(yè)對于數字、模擬、數模混合集成電路設計以及版圖設計等崗位要求的基礎上，有針對性地進行模塊課程的學習與實踐操作的鍛煉，使學生對于相關的EDA實踐內容真正融會貫通，為今后就業(yè)做好充足的準備。第三，根據集成電路設計本科理論課程的教學內容，以各應用軟件為基礎，結合多媒體的教學方法，選取結合于理論課程內容的實例，制定和編寫相應內容的實驗課件及操作流程手冊，如黑龍江大學的“CMOS模擬集成電路設計”和“數字集成電路設計”課程，都已制定了比較詳盡的實踐手冊及實驗內容課件；通過網絡平臺，使學生能夠更加方便地分享教學資源并充分利用資源隨時隨地地學習。

四、搭建校企合作平臺

【摘要】為解決以往“模擬集成電路設計”課程教學中出現(xiàn)的學生課堂學習沒動力、課外作業(yè)忙應付、考核方式不合理等問題，本文提出了一種該設計類課程的教學方法改革方案與措施?；趯W生學習的特點，該教學方法主要從課程內容新穎化、學習時間平時化、設計能力綜合化、教學手段多樣化、考核方式多元化等方面進行改革。該教學方法的特點主要為根據學生學習特點設置、注重平時的學習過程、課內課外學習相結合。教學改革方案實施四年以來，受益學生約200人，教學效果良好，獲得了學生很高的評價。

【關鍵詞】模擬集成電路設計；課內外結合；綜合評價

0引言

“模擬集成電路設計”課程是大學本科階段電子科學與技術專業(yè)的核心課程，在整個專業(yè)中起到承上啟下的作用。該課程以前期“電路原理”、“模擬電子技術基礎”和“微電子基礎”等專業(yè)課程為基礎，培養(yǎng)學生的模擬集成電路設計能力為目標，為后續(xù)“ASIC設計”等課程培養(yǎng)學生較完整的硬件設計能力提供基礎和知識儲備。通過本課程的學習，旨在使學生了解和掌握各種模擬集成電路的基本概念和原理；分析和設計各種模擬集成電路的基本方法；了解模擬集成電路設計中遇到的新問題及電路技術的新發(fā)展；能夠運用所學知識對簡單模擬集成電路進行電路分析、仿真和設計[1-2]。

1課程教學過程中存在的問題

以往該類課程教學中主要存在以下一些問題：（1）課堂學習沒動力以往的課堂教學，上課主要以教師講授為主，以介紹理論知識為多，比較注重知識的理論推導和證明，推導過程枯燥、復雜，課程內容不形象。在這種“灌輸式“的授課形式下，學生被動地接受知識，課程學習枯燥，學習興趣不高，學習動力嚴重不足。（2）課外作業(yè)忙應付在以往教學過程中，課外學習主要以書面作業(yè)為主，大部分同學作業(yè)馬虎、不認真，只為應付老師而做，而且還存在抄襲的現(xiàn)象，作業(yè)的完成情況不能反映出學生對授課內容的真實掌握水平。（3）考核方式不合理以往的考核方式主要以考試為主，期末考試成績所占比例很大，平時成績比例較小，這樣導致學生不重視平時的學習積累，考試前“押寶”、記題，考試“壓力山大”，所學的知識記憶也不深刻，仍然沒有牢固地掌握。綜合以上幾點學情，我們需要從課堂授課、課外學習以及考核方式這三方面對課程內容進行改革。把從“老師教為主”的課堂授課形式轉變?yōu)椤皩W生學為主”的形式，從“課堂教學為主”學習模式轉變?yōu)椤罢n內課外結合”的模式，從“注重結果”的評價方式轉變?yōu)椤敖Y果與過程相結合“的綜合評價方式。

2教學實施策略及方法

1傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式剖析

2001年我國新增“集成電路設計與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)，2003年至2009年，我國在清華大學、北京大學、復旦大學等高校分三批設立了20個大學集成電路人才培養(yǎng)基地，加上原有的“微電子科學與工程”專業(yè)，目前，國內已有近百所高校開設了微電子相關專業(yè)和實訓基地，由此可見，國家對集成電路行業(yè)人才培養(yǎng)的高度重視。在新形勢下，集成電路相關專業(yè)的“重理論輕實踐”、“重教授輕自學輕互動”的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式已不再適用。因此，探索新的人才培養(yǎng)方式，改革集成電路設計類課程體系顯得尤為重要。傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的“重理論、輕實踐”方面，可從課程教學學時安排上略見一斑。例如：某高校“模擬集成電路設計”課程，總學時為80，其中理論為64學時，實驗為16學時，理論與實驗學時比高達4∶1。由于受學時限制，實驗內容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結構，且實驗所涉及的電路結構、器件尺寸和參數只能由授課教師直接給出，學生在有限的實驗學時內僅完成電路的仿真驗證工作。由于缺失了根據所學理論動手設計電路結構，計算器件尺寸，以及通過仿真迭代優(yōu)化設計等環(huán)節(jié)，使得眾多應屆畢業(yè)生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設計的能力?！爸亟淌凇⑤p自學、輕互動”的傳統(tǒng)教學方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關注知識的傳授，忽略了發(fā)揮學生主動學習的主觀能動性，導致教師教得很累，學生學得無趣。

2集成電路設計類課程體系改革探索和教學模式的改進

2014年“數字集成電路設計”課程被列入我校卓越課程的建設項目，以此為契機，卓越課程建設小組對集成電路設計類課程進行了探索性的“多維一體”的教學改革，運用多元化的教學組織形式，通過合作學習、小組討論、項目學習、課外實訓等方式，營造開放、協(xié)作、自主的學習氛圍和批判性的學習環(huán)境。

2．1新型集成電路設計課程體系探索

由于統(tǒng)一的人才培養(yǎng)方案，造成了學生“學而不精”局面，培養(yǎng)出來的學生很難快速適應企業(yè)的需求，往往企業(yè)還需追加6～12個月的實訓，學生才能逐漸掌握專業(yè)技能，適應工作崗位。因此，本卓越課程建設小組試圖根據差異化的人才培養(yǎng)目標，探索新型集成電路設計類課程體系，重新規(guī)劃課程體系，突出課程的差異化設置。集成電路設計類課程的差異化，即根據不同的人才培養(yǎng)目標，開設不同的專業(yè)課程。比如，一些班級側重培養(yǎng)集成電路前端設計的高端人才，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、集成電路系統(tǒng)與芯片設計、模擬集成電路設計、射頻電路基礎、硬件描述語言與FPGA設計、集成電路EDA技術、集成電路工藝原理等；另外的幾個班級，則側重于集成電路后端設計的高端人才培養(yǎng)，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、CMOS模擬集成電路設計、版圖設計技術、集成電路工藝原理、集成電路CAD、集成電路封裝與集成電路測試等。在多元化的培養(yǎng)模式中，加入實訓環(huán)節(jié)，為期一年，設置在第七、八學期。學生可自由選擇，或留在學校參與教師團隊的項目進行實訓，或進入企業(yè)實習，以此來提高學生的專業(yè)技能與綜合素質。

2．2理論課課堂教學方式的改進