馬奎

摘要：集成電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)理論基礎(chǔ)要求高、綜合性和系統(tǒng)性強(qiáng)、涉及面較廣的任務(wù)，離不開計(jì)算機(jī)軟件的輔助。開設(shè)《集成電路CAD》課程，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、加深對(duì)專業(yè)課程的理解，是系統(tǒng)培養(yǎng)集成電路人才的有效手段之一。針對(duì)課程內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，在課堂教學(xué)時(shí)需通過融入行業(yè)前沿信息、設(shè)計(jì)案例，合理設(shè)置隨堂練習(xí)題、討論題以及課后習(xí)題等一系列內(nèi)容，豐富教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)造直觀生動(dòng)的課堂氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。針對(duì)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過分組進(jìn)行課題設(shè)計(jì)、逐一開展設(shè)計(jì)報(bào)告、加重實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核比重等方法，可以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：集成電路;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);教學(xué)方法;實(shí)踐訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642.3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）12-0125-03

一、引言

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，信息的存儲(chǔ)和處理能力得到了爆炸式提升，使得信息技術(shù)（IT，Information Technology）時(shí)代已升級(jí)到數(shù)據(jù)技術(shù)（DT，Date Technology）時(shí)代。進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年，信息技術(shù)已深入人們生產(chǎn)、生活中的方方面面，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱作用愈發(fā)凸顯。作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵的集成電路產(chǎn)業(yè)，在這個(gè)階段也迎來了快速發(fā)展。從芯片特征尺寸的角度來看，從2010年的65nm發(fā)展到了2018年的7nm;從芯片功能和性能的角度來看，越來越多的電路模塊被集成到芯片中，片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）越來越智能，自2017年起，蘋果公司和華為公司發(fā)布的SoC都集成有神經(jīng)處理單元（NPU，Neural Processing Unit）;從市場(chǎng)分布的角度來看，亞太地區(qū)（尤其是中國(guó)）是全球規(guī)模最大的集成電路市場(chǎng)，市場(chǎng)需求將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)[1]，但市場(chǎng)份額主要被美、歐、日、韓等國(guó)家或地區(qū)的少數(shù)跨國(guó)公司所占有。

芯片是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的象征，沒有芯片就沒有電子世界，更沒有21世紀(jì)的制造設(shè)計(jì)大國(guó)[2]。我國(guó)雖然擁有龐大的集成電路市場(chǎng)，但尖端核心技術(shù)均掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手上，隨時(shí)有被“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，2018年初的“中興事件”就是一個(gè)典型的例子。產(chǎn)業(yè)的振興首先要從培養(yǎng)人才開始，集成電路設(shè)計(jì)是知識(shí)密集型行業(yè)，需要培養(yǎng)專門的設(shè)計(jì)人才。集成電路的CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)幾乎是伴隨著集成電路產(chǎn)品的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，雖然數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)方法已從CAD演進(jìn)到EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化），但是模擬和數(shù)模混合集成電路的設(shè)計(jì)目前還是采用CAD技術(shù)。在高等教育院校的相關(guān)專業(yè)中開設(shè)“集成電路CAD”課程，加強(qiáng)設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)和設(shè)計(jì)實(shí)例訓(xùn)練，是系統(tǒng)培養(yǎng)集成電路人才的有效手段之一，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、加深對(duì)專業(yè)課程的理解。

二、教學(xué)內(nèi)容安排

《集成電路CAD》是“電子科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)高年級(jí)本科生的關(guān)鍵專業(yè)課程之一，主要覆蓋模擬及數(shù)模混合集成電路領(lǐng)域。在學(xué)習(xí)該門課程之前學(xué)生需具備《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《半導(dǎo)體器件物理》《微電子工藝》《集成電路分析與設(shè)計(jì)》等專業(yè)課程基礎(chǔ)。

本課程的教學(xué)內(nèi)容有兩個(gè)部分：一是課堂教學(xué)，共16學(xué)時(shí)。其中概論部分2學(xué)時(shí)，主要講述集成電路的概念、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、集成電路的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)流程、集成電路CAD的主要內(nèi)容等;用2個(gè)學(xué)時(shí)溫習(xí)集成電路制造技術(shù);專用集成電路的CAD設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)實(shí)例講解共安排4個(gè)學(xué)時(shí);CAD電路分析基礎(chǔ)、電路元/器件模型各占2個(gè)學(xué)時(shí);集成電路的版圖設(shè)計(jì)、版圖驗(yàn)證及后仿真各占2個(gè)學(xué)時(shí)。

二是課程設(shè)計(jì)報(bào)告，共16學(xué)時(shí)。在開學(xué)第一課上做出安排，由班長(zhǎng)或?qū)W習(xí)委員組織學(xué)生分組，5—7人一組，指定一名組長(zhǎng)。每個(gè)小組從集成運(yùn)算放大器、電壓基準(zhǔn)源、集成電壓比較器、振蕩器、低壓差線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電容電路、全定制邏輯電路（50門以上）以及其他方面選擇一個(gè)設(shè)計(jì)課題，從開學(xué)第一周開始利用課余時(shí)間查閱資料，開展電路設(shè)計(jì)和仿真、版圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。同一小組中的同學(xué)在選定應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)定電路指標(biāo)參數(shù)時(shí)要體現(xiàn)出差異。從9—16周，各個(gè)小組陸續(xù)開展課程設(shè)計(jì)報(bào)告，每次課（2個(gè)學(xué)時(shí)）匯報(bào)一個(gè)課題。首先由組長(zhǎng)介紹所選課題的基本情況，每一位同學(xué)補(bǔ)充介紹自己的設(shè)計(jì)和組內(nèi)其他同學(xué)的差異，采用“PPT展示+CAD軟件操作”的組合匯報(bào)模式。

三、課程教學(xué)方法改革

課堂教學(xué)部分：

1.以多媒體教學(xué)為主，輔以必要的板書，在教學(xué)課件中融入大量的行業(yè)前沿信息和集成電路設(shè)計(jì)案例，豐富教學(xué)內(nèi)容、力求給學(xué)生創(chuàng)造直觀生動(dòng)的課堂氛圍。

2.在教育過程中嵌入科研項(xiàng)目、實(shí)際產(chǎn)品以及生產(chǎn)生活中的應(yīng)用實(shí)例講解，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3.摒棄傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生聽”的課堂教學(xué)模式，在每一個(gè)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上設(shè)置隨堂練習(xí)題和討論題，建立討論式和參與式課堂環(huán)境。

4.設(shè)置課后思考題，要求學(xué)生查閱和綜述文獻(xiàn)資料、關(guān)注行業(yè)信息和前沿動(dòng)態(tài)，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鍛煉他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。

課程設(shè)計(jì)報(bào)告部分：

1.創(chuàng)建探究式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)模式，安排具體設(shè)計(jì)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生探究集成電路設(shè)計(jì)方法、利用相關(guān)CAD工具，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《半導(dǎo)體器件物理》《微電子工藝》《集成電路分析與設(shè)計(jì)》等專業(yè)課程的相關(guān)知識(shí)，在報(bào)告環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論和互動(dòng)。

2.翻轉(zhuǎn)課堂，課程設(shè)計(jì)報(bào)告環(huán)節(jié)由每個(gè)小組的學(xué)生主講、其他小組的同學(xué)參與討論、老師輔助補(bǔ)充。目的是讓學(xué)生展示和介紹自己的設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生的分析總結(jié)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。

3.加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，《集成電路CAD》本就是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，光靠老師講解是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練來幫助學(xué)生理解和掌握集成電路的設(shè)計(jì)方法和流程、學(xué)會(huì)運(yùn)用集成電路CAD工具。

4.以設(shè)計(jì)實(shí)例展開對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)，在每個(gè)小組進(jìn)行課題匯報(bào)之后，留出一定的時(shí)間給老師針對(duì)相應(yīng)課題的總結(jié)和拓展，同時(shí)也對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

四、課程考核方式改革

傳統(tǒng)的“一張?jiān)嚲怼钡目己朔绞讲贿m用于實(shí)踐性和綜合性較強(qiáng)的《集成電路CAD》課程，只通過期末“課程論文”來進(jìn)行考核也顯得比較單調(diào)。因此，為了能夠充分體現(xiàn)課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)水平，該門課程的考核方式做了如下幾個(gè)方面的改革。

1.加強(qiáng)課堂教學(xué)過程中隨堂練習(xí)、課堂討論和課后作業(yè)考核，加重該部分考核所占的比例。這部分主要是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、參與課程教學(xué)過程、督促學(xué)生做好平時(shí)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，加大對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核。

2.強(qiáng)化課題設(shè)計(jì)實(shí)踐，加重課程設(shè)計(jì)報(bào)告所占的考核比例。《集成電路CAD》是一門實(shí)踐性和綜合性較強(qiáng)的課程，教學(xué)內(nèi)容中光有理論不行，考核時(shí)光考核理論知識(shí)也不行。通過設(shè)計(jì)課題來考核學(xué)生運(yùn)用前序課程以及本科課程基礎(chǔ)知識(shí)的能力、加強(qiáng)過程考核，突出對(duì)學(xué)生分析問題和解決問題的能力以及動(dòng)手能力的考查。

3.降低期末“課程論文”所占的考核比例。期末“課程論文”主要包含集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容兩個(gè)部分，主要考核學(xué)習(xí)的總結(jié)能力和文字表達(dá)能力。

課程考核方式及要求：隨堂練習(xí)、課堂討論、回答問題、課后作業(yè)及考勤等情況由任課教師做好相關(guān)記錄，依據(jù)打分;每位同學(xué)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告用10分鐘左右進(jìn)行PPT展示，PPT連同課程論文一起上交，任課教師對(duì)設(shè)計(jì)的正確性及完整性、口頭匯報(bào)的質(zhì)量等做好記錄，依據(jù)打分;每位同學(xué)在期末提交一份課程論文，內(nèi)容主要就是描述設(shè)計(jì)課題，任課教師根據(jù)課程論文質(zhì)量給分。

最終考核成績(jī)分配：平時(shí)成績(jī)（涵蓋隨堂練習(xí)、課堂討論和課后作業(yè)）占30%，課程設(shè)計(jì)幻燈片報(bào)告占30%，期末課程論文占40%。

五、加強(qiáng)鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)思維

CAD只是一種輔助分析手段，集成電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵還是在于設(shè)計(jì)人員。因此，在《集成電路CAD》課程教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維也是很有必要的。在課堂教學(xué)和課程設(shè)計(jì)報(bào)告兩個(gè)部分，可以從如下幾個(gè)方面鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)能力。

1.將學(xué)生分組，5—7人組成一個(gè)小組，每個(gè)小組選定一名組長(zhǎng)。在理論教學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐部分，由組長(zhǎng)組織小組成員開展基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)和鞏固、設(shè)計(jì)方案擬定和執(zhí)行設(shè)計(jì)等工作，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.在課堂教學(xué)部分，在講解每部分內(nèi)容時(shí)都和設(shè)計(jì)掛鉤，告訴學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該怎樣運(yùn)用該部分知識(shí)，并設(shè)置一些啟發(fā)性的討論題和思考題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

3.在設(shè)計(jì)實(shí)踐中鼓勵(lì)學(xué)生靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)、勇于打破常規(guī)，充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

4.在課程考核時(shí)，注重評(píng)價(jià)學(xué)生設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)能力的體現(xiàn)，對(duì)有創(chuàng)新、設(shè)計(jì)思路可行、且能夠借助理論或CAD工具軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證的設(shè)計(jì)成果應(yīng)該給予高分。

六、總結(jié)

集成電路的應(yīng)用涉及人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，《集成電路CAD》課程教學(xué)內(nèi)容抽象、涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)，其教學(xué)必須借助多媒體和CAD分析等手段向?qū)W生進(jìn)行可視化展示、通過設(shè)計(jì)實(shí)例向教授學(xué)生設(shè)計(jì)方法和思路、通過設(shè)計(jì)課題訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。文章在課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告以及考核方式幾個(gè)方面均提出了改革建議，目的是創(chuàng)建啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式的生動(dòng)課堂氛圍，通過翻轉(zhuǎn)課堂鍛煉學(xué)生的分析總結(jié)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力，以考核方式的改革來幫助學(xué)生抓住課程要點(diǎn)。另外，還提出了幾點(diǎn)加強(qiáng)鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)能力的建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要[J].中國(guó)集成電路，2014，（7）：14-16.

[2]向舜然.集成電路CAD課程問題分析及解決[J].信息化建設(shè)，2015，（6）：112-113.