集成电路设计专业选修课程的建设探索_李大为.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-11-05;修回日期:2022-05-16基金项目:中南民族大学校级教研项目(JYX19080);教育部新工科研究与改革实践项目(E DZYQ20201422);中央科研业务费(CSZY23008);中央科研业务费(CPT22020)第一作者:李大为(1989)，男，博士，副教授，主要从事模拟与射频集成电路设计的教学和研究工作，E-mail:leedavidhust outlook com集成电路设计专业选修课程的建设探索李大为廖立奇陈锟朱翠涛(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)摘要:集成电路设计专业呈现多学科交叉、技术密集等特点。目前，该学科在专业选修课程的建设中仍然面临学科交叉方向不明确、建设内容重复、材料专业课程渗透以及教师队伍建设等问题。以中南民族大学电子信息工程学院开设的集成电路设计与集成系统专业为例，明确通信 自动化 计算机学科交叉方向，优化专用芯片设计的选修课程体系，为集成电路设计专业选修课程体系的改革奠定基础。关键词:集成电路设计;交叉;专业课程体系中图分类号:G6420文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0076-04Exploration on the Construction of Elective Courses for IntegratedCircuits DesignLI DaweiLIAO LiqiCHEN KunZHU Cuitao(College of Electronics and Information Engineering，South-central，Wuhan 430074，China)Abstract:The multidisciplinary major of integrated circuit design and integrated system is recently established to meet the developmentof information industry At present，there are some issues in the construction of elective courses in this major，such as the indistinct in-terdisciplinary direction，the mislead direction towards materials，the repetition of courses and the lack of teaching staff This paper fo-cuses on the optimization of the system of elective courses in this major，which takes the College of Electronics and Information Engi-neering，South-centralas an example This work will lay a foundation for the curriculumKeywords:integrated circuit design;multidisciplinary;specialized curriculum system为了促进半导体和集成电路产业高质量发展，国家出台一系列的优惠政策和聚焦芯片产业的发展。例如，符合条件的集成电路生产企业或项目免征或减半征企业所得税;上海市将重点建设浦东张江集成电路设计园、嘉定智能传感器产业园和临港新片区集成电路制造园1 2。除此之外，人才的培养也是实现芯片产业突破的重中之重。目前，集成电路学科已经被确立为一级学科，以满足国内对集成电路设计人才的迫切需求。而集成电路设计人才的培养与专业选修课程的建设密切相关。因此，在一级学科建设的背景下，如何建设好集成电路设计与集成系统的专业选修课程，对培养高素质集成电路设计人才具有重要意义。1专业选修课的建设现状1 1相关高校专业选修课程的建设现状一直以来，集成电路设计学科属于微电子或电子科学技术一级学科下的二级学科，集成电路设计学科的建设受到微电子专业课程设置和培养方案的制约。直到 2020 年工信部与教育部等部门推进设立集成电路为一级学科，从此集成电路和电子科学与技术是并列而不是隶属关系，集成电路设计与集成系统专业预计将快速发展3。目前电子科技大学、西安电子科技大学、华中科技大学、合肥工业大学等高校已经设立了集成电路设计与集成系统专业。一级学科的正式确立促进了集成电路设计学科的进一步发展，也为完善专业选修课程提供了新的机遇。目前，各大高校在集成电路设计与集成系统专业选修课程的开设上主要依据其自身的学科优势、市场需求等因素，专业选修课程的内容安排各有各的特色。例如，华中科技大学依托学院的学科优势进行专业分流，开设了半导体器件及模拟/射频集成电路设计、数字与嵌入式系统这两个方向的专业Minzu UniversityMinzu University选修课程4，有所侧重地培养学生的专用芯片设计能力。在集成电路设计专业选修课程的设置上，大部分高校不会开设计算机体系结构学科的相关课程。例如合肥工业大学专业选修课包括微系统、数字集成电路设计、混合信号集成电路设计这三个模块。1 2我校专业选修课程的建设现状2021 年 2 月 10 日，教育部下发关于公布2020 年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知(教高函 2021 1 号)，中南民族大学电子信息工程学院集成电路设计与集成系统专业正式获得批准5。学院集成电路设计与集成系统的专业选修课程目前有“电子电路 CAD”“芯片制造”“单片机系统及应用”“嵌入式系统”等，这类硬件方面的课程能够让学生对芯片制造 集成电路设计这一产业链有一定的了解，也为学生后续在集成电路设计方向读研深造或者从事数字芯片、单片机开发等硬件行业的工作奠定坚实基础。同时，集成电路设计与电子和通信专业密切相关，目前开设电子与通信方面的选修课有“数字信号处理”“通信原理”“信息与编码”等，通过电子信息专业选修课程的学习，可以进一步提高学生解决集成电路系统基本工程问题的能力。而与计算机专业相关的选修课程有“机器学习”“神经网络 计算机视觉”等前沿、热点的课程，学生可以在学习硬件专业知识的同时兼顾软件应用的学习。与计算机专业方向交叉的选修课程可以为学生的发展提供新思路，例如可以把神经网络部署到 FPGA 上，或者设计人工智能芯片。1 3专业选修课程建设中存在的问题近几年来，尽管集成电路设计行业的就业人数有所上升，但目前该领域人才缺口仍然高达 30 万。据统计每年各大高校本硕博毕业生约有 800 万，但只有3 万的毕业生进入集成电路相关领域工作6。可以预见未来很长一段时间内，我国对集成电路设计人才都有着较高的需求。相关高校应主动布局、建设和发展集成电路设计与集成系统专业，以满足国家战略需求。但是，集成电路设计与集成系统专业由于设立时间较短，长期受微电子以及材料等专业影响，本身又属于交叉学科，学科交叉方向不明确，在建设过程中容易滑向半导体器件和材料方向。尤其是在专业选修课程设置上，部分高校开设材料专业有关的课程。专业选修课程着重的是集成电路设计方面知识的补充和拓展，提高学生在集成电路设计、电路版图设计与验证以及嵌入式系统等多个设计方向上的能力，而不是让学生在校研究材料、器件去“灌水”，即将毕业的时候临时学习代码，找一份与软件相关的工作。虽然各高校在专业选修课程建设上有许多可供参考的经验，但在实施过程中还应针对各自学校的特点进行针对性的调整。如在选修课程建设中，各高校应根据学校学科优势制定符合该专业培养要求的课程体系，而不是忽略与专业必修课程之间的联系，设置一些内容重复或者偏离电路设计方向的课程。而在学生群体中，一些学生认为专业选修课程的学习并不是很重要，以至于存在盲目跟风选课、混学分等现象，这些学生认为只要专业选修课程能及格，能够拿到学分满足毕业要求即可，不必耗费大量时间去学习专业必修课以外的课程。而在一些专业选修课程的教学中，有些课程只重视理论教学，轻视实践教育，而讲授的知识和技术已经脱离生产实际，没有与时俱进地更新内容，难以持续地激发学生学习兴趣。对于专业选修课程中所存在的问题，我们急需对教学方法和人才的培养方案进行改进。2专业选修课程建设探索集成电路设计与集成系统专业作为新兴的一门现代学科，学科交叉性强，内容更新快，因此在专业选修课程的设计上要与当前该领域产业相衔接，培养出适应科技、经济和社会发展的创新型、专用型工程人才，不断提高集成电路设计本科人才的质量。集成电路设计专业选修课程的建设探索主要分为以下几个方面:2 1明确学科交叉方向集成电路设计与集成系统是一门多学科交叉的专业，专业课程设置涵盖电子信息工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、信息与通信工程等一级学科。面对众多交叉学科，要想建设好集成电路设计专业，就必须把握好培养方案，明确学科的交叉方向。虽然集成电路设计属于硬件，但由于涉及半导体原理、制造封装等，与大多数“电路板级”的硬件开发有些区别。集成电路设计流程分为芯片硬件设计和软件协同设计两个部分，与交叉学科中的自动化和计算机专业联系紧密。以往小规模以及中规模集成电路设计进行逻辑综合时，工程师可以通过手工的途径去优化逻辑函数。随着大规模、超大规模集成电路的出现，这种工作方式已不能满足越来越复杂的设计，计算机辅助设计和电子设计自动化与集成电路设计开始紧密结合。目前，77第 3 期李大为，等:集成电路设计专业选修课程的建设探索电子信息工程学院通信工程专业为国家双一流学科，集成电路设计与集成系统专业建设将充分结合这一学科优势，明确与通信、自动化和计算机专业交叉，构建符合学院特色的专业选修课程体系，贯穿芯片 系统 架构，从底层设计走向顶层设计。2 2优化专业选修课程体系为了提高课程效率和防止材料专业的渗透，集成电路设计与集成系统专业选修课程的建设应考虑对教学内容和功能相似的课程进行重组、合并，取消与本专业发展无关的半导体材料专业课程，以达到优化课程设置的目的。以中南民族大学电子信息工程学院为例，专业课程开设的特点是着重电路设计，依托学院硬件优势，“软硬结合”，建设方向始终贯穿芯片设计 EDA 软件 信息系统。课程体系摒弃材料方向和内容相似课程，增设通信、计算机和自动化相关课程，达到优化专用芯片设计课程体系的目的。学院在第三个学期开始开设专业课程，专业必修课程有“CMOS 数字集成电路”“集成电路版图设计与验证”“模拟 CMOS 集成电路设计”以及与自动化相关的课程“自动控制原理”。而专业选修课除了开设“电子电路 CAD”“嵌入式系统”等传统选修课程之外，还增添了与通信和计算机专业交叉的课程，例如“通信原理”“信息编码”“机器学习”等。授课形式可使用智慧教室开展翻转课堂教学，提升学生自主学习能力，以及利用超星学习通、慕课、雨课堂等平台开展线上线下相结合的混合式教学，实现优质教学资源共享、考核信息化。2 3增强选修课的前沿性随着新知识、新技术的不断出现，集成电路与集成系统专业逐渐呈现跨学科的趋势。集成电路设计与集成系统专业作为一门技术密集学科，应跟紧时代的步伐，及时跟进当前先进技术，增强课程的前沿性。而当今世界半导体技术快速发展，集成电路产业在器件、电路设计、制造工艺上的技术日新月异，例如，接近大脑独特计算特征的神经形态芯片、实现不同材料、结构、功能元件为一体的三维异质集成。但是随着摩尔定律极限不断逼近，半导体不再从尺寸缩放上获得性能增长，因此集成电路在纵向上的扩展越来越重要。在纵向上的发展主要是新架构和三维封装技术的变革，随着沟道长度接近单个原子的尺寸，封装技术的进步或许是维持摩尔定律的主要动力。因此，在集成电路设计与集成系统专业的培养方案中，应对新型封装技术给予重视。因而学院在课程体系中增设的“芯片制造”专业选修课程，该课程包含封装技术的演变历程、半导体工艺以及现代工艺，同时适当延伸当前主流的封装技术，例如 2 5D/3D 封装技术、Fan out 封装技术和被称为可延续摩尔定律的 Chiplet 封装技术，使学生能够更深入地了解和认识集成电路产业的发展变革。将前沿的封装技术引入课堂，在一定程度上深化了学生的专业理论知识学习、拓展产业视野以及培养创新思维能力。学生在毕业后也可以从事电子封装领域的设计制造、科学研究、应用开发、运行管理和经营销售等工作。2 4增设电子竞赛相关课程在对专业选修实践课程改革中，将全国集成电路设计大赛的内容引入到教学中，将竞赛中涉及到的设计思路，采用的技术和方法加以讲解，达到“以赛促课”的目的，使学生更加全面地了解电路的性能指标，扩展视野，提高创新与竞争意识。为达到以上目的，学院开设“电子线路设计与测试(竞赛)”“电子系统设计基础(竞赛)”和“电子系统设计实践(竞赛)”课程，以提高学生电路设计能力，促进拔尖创新人才脱颖而出。这些课程的授课内容不再局限于课本，还涉及到项目设计。具体上，课程以三个学生为一小组的形式，以比赛项目为导向，完成单颗芯片的设计与开发，单颗芯片的规模不宜过大，最好小于 100 个晶体管规模，尽可能完成完整设计过程。在设计课程内容的过程中，教师们需要充分考虑项目工程性、前瞻性和复杂度的平衡，充分利用学生的课余时间，提高学生自身实践和工程能力。2 5加强专业选修课程教师队伍的建设专业选修课建设的关键在于专业教师队伍的建设。集成电路设计与集成系统专业的教师有一部分原先是材料物理、电子信息工程、通信工程等专业的授课教师，在学科的划分上，材料物理属于理科，而电子信息工程与通信工程是典型的工科，这在一定程度上影响了专业选修课程的设置偏向于材料和器件，使得选修课程的设置依赖于现有教师的专业方向，而不是实际需求方向。为了改变“因人设课”现状，各高校要统筹规划教师队伍建设，推动集成电路与集成系统专业的发展。集成电路的部分选修课程与电子信息相似，而在电子信息类专业建设上，学院教师有着丰富经验。目前学院有 3 个以电子信息类专业系列课程教学为主体的教研室，分别承担电路基础理论、通信与信号处理、电子技术应用三个核心课程的理论与实践教学任务。但对于“模拟 CMOS 集成电路87电气电子教学学报第 45 卷设计”这些专业课程来说，学院还是很缺乏 IC 设计经验的教师，因此笔者认为应从以下几点加强教师队伍的建设:1)积极引进优秀 IC 设计方向的人才有针对地招收有实际 IC 设计和流片经验的海内外博士。考虑集成电路设计的行业特点，工作经验比学历更重要，适当降低招聘门槛，将学历设置为硕士，并进一步向学校申请解决 IC 设计工程师实验员编制问题，并支持他们参加电路与系统类学术会议，吸引武汉本地资深工程师来校任教。2)提高教师薪资待遇由于学校内集成电路设计方向的教师稀缺，且企业界的薪资比教师行业高数倍。因此要想引进有竞争力的人才，各高校必须合理地提高与企业界对等的工资待遇，同时积极营造宽松的考核条件，突出 IC 设计方向人才培养的绩效。3)完善教师培训机制为专业不对口的在职教师和青年教师提供去行业学习的机会，以及让教师亲自参与到芯片设计项目中，通过帮助企业开发、委托企业项目、与产业工程师合作，提高教师自身的实践教学能力。4)充分利用校企合作，联合培养学生集成电路设计专业与企业界联系紧密，很多高校与企业有合作关系。考虑武汉本地集成电路产业蓬勃发展，学院可以从企业聘请经验丰富的工程师担任学校的兼职教师。3结语集成电路设计与集成系统学科专业选修课程的改革不能一蹴而就，需要学院进一步整合资源，明确通信 自动化 计算机学科交叉方向，加强相关方向教师团队建设，逐步完善课程体系。专业选修课的改革，不仅有助于学生摒除选修课不重要的传统观点，更有助于学生在学习过程中将集成电路设计的专业知识与社会、生活中的重大工程问题相结合，增强从事本行业的信心。参考文献 1 国务院 新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策 EB/OL (2020 08 04)2023 07 03 https:/www gov cn/zhengce/content/202008/04/content_5532370 htm 2 上海市人民政府 新时期促进上海市集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策EB/OL (2021 12 21)2023 07 03 https:/www shanghai govcn/202204zfwj/20220221/c3a8b23b2e464aaba758c5c9f0b8b80f html 3 工业和信息化部 关于政协十三届全国委员会第二次会议第 2282 号(公交邮电类 256 号)提案答复的函(2019 10 08)2023 07 03 https:/wap miitgov cn/zwgk/jytafwgk/art/2020/art_b8ed4ed015df4129a95167e74c81a21f html 4 邹志革，邹雪城，雷鑑铭，等 集成电路设计与集成系统专业培养方案的研究 以华中科技大学为例 J 教育教学论坛，2019(37):62 6597第 3 期李大为，等:集成电路设计专业选修课程的建设探索