集成电路专业学生课程群贯通式培养模式探索.pdf

第 25 卷第 3 期武汉交通职业学院学报2023 年 9 月Vol.25 No.3Journal of Wuhan Technical College of CommunicationsSep.2023-96 -收稿日期:2023-08-20作者简介:吴秀龙(1979-),男,安徽芜湖人,安徽大学集成电路学院副教授,从事集成电路设计研究。彭春雨(1987-),男,安徽阜阳人,安徽大学集成电路学院副教授,从事高速低功耗静态随机存储器及其可靠性设计研究。集成电路专业学生课程群贯通式培养模式探索吴秀龙 彭春雨(安徽大学,安徽 合肥 230601)摘 要:处于国家战略性地位的集成电路行业人才缺口巨大,尤其是高素质专业人才,为此探索出适合国情的集成电路专业人才培养模式至关重要。基于国内高校对于集成电路工程实践性质教学的探索,聚焦于“新工科”背景下的集成电路设计与集成系统专业,重点分析该专业模拟集成电路设计和数字集成电路设计两大课程群主线,并通过 DES 芯片加密设计项目贯通式教学案例的验证,总结出集成电路专业基于课程群建设的贯通式培养模式。该模式能有效、有力地培养集成电路行业高新复合型人才。关键词:集成电路设计与集成系统;模拟集成电路;数字集成电路;贯通式 中图分类号:G642.0文章编号:1672-9846-(2023)03-0096-05DOI:10.3969/j.issn.1672-9846.2023.03.015开 放科学(资源服务)标识码(OSID):一、引言集成电路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1。从 2014 年 6 月,国务院印发国家集成电路产业发展推进纲要,强调大力发展集成电路设计业1,到 2016 年印发教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见(教高2016 1号),着重集成电路领域人才培养2,再到 2020年国务院学位委员会、教育部印发关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知(学位202030 号)(以下简称通知),提出做好集成电路领域学科建设工作3。集成电路领域的发展水平是未来国家综合国力的重要体现,国家对集成电路行业的扶持已经上升到国家战略层次。国家不断出台政策扶持集成电路领域,从设计、制造、封装、测试等环节整体提高国产集成电路产业水平,使得我国集成电路产业蓬勃发展。但对于集成电路这种智力密集型产业来说,最重要的资源是集成电路领域人才。教育部积极支持相关高校建设示范性微电子学院4,以满足集成电路产业领域人才的迫切需要。二、集成电路人才培养现状(一)集成电路产业人才需求近年来,受国际“卡脖子”环境形势压迫和国内政策战略性支持的影响,我国集成电路产业得到快速发展,对集成电路领域人才需求不断攀升,集成电路从业人数呈爆发式增长。据调研数据显示5,2020 年我国从事集成电路产业的人员约54.1 万人,相比 2017 年 40 万人,增长率达到35.25%,同比 2019 年 51.19 万人增长 5.7%。在产业链各环节角度,设计、制造和封装测试相关从业人员规模分别为 19.96 万人、18.12 人和 16.02 万人,根据同期增长比率,预计 2023 年我国集成电路产业人才需求将达到 76.65 万人左右,即人才缺口约 23 万人。2020 年,我国集成电第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-97 -路相关毕业生规模在 21 万左右,但仅有 13.77%的毕业生选择从事集成电路相关行业。(二)集成电路院校建设情况2020 年 7 月,国务院印发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(国发20208 号)强调,进一步加强高校集成电路和软件专业建设,加快推进集成电路一级学科设置工作,紧密结合产业发展需求及时调整课程设置、教学计划和教学方式,努力培养复合型、实用型的高水平人才6。2020 年 12 月,国务院学位委员会、教育部下发通知正式设立“集成电路科学与工程”一级学科。随即,清华大学等 12 所国内院校在 2021年相继组建集成电路学院,如表 1 所示。表 1 2021 年组建集成电路学院的国内院校名单序号高校名称集成电路学院成立时间1广东工业大学2021 年 1 月2深圳职业技术学院2021 年 1 月3天津理工大学2021 年 1 月4安徽大学2021 年 2 月5中山太学2021 年 2 月6杭州电了科技大学2021 年 3 月7清华大学2021 年 4 月8深圳技术大学2021 年 6 月9北京大学2021 年 7 月10北京理工大学珠海学院2021 年 7 月11华中科技大学2021 年 7 月12南京邮电大学2021 年 11 月目前,“集成电路科学与工程”一级学科刚刚设立,以往集成电路相关专业主要归属在电子信息类专业类下(如表 2),其中,微电子科学与工程专业和集成电路设计与集成系统专业对于集成电路领域契合度最高。(三)集成电路专业本科生培养状况1.微电子科学与工程专业微电子科学与工程专业致力于培养具有扎实的自然科学基础,适应集成电路产业和智能化技术发展的需求,具有解决多种工程技术问题的思维能力、实际操作能力、工程实践创新能力和良好个人素养以及国际视野的复合型人才。随着集成电路产业发展需要,国内高校突破传统工科计划调节培养微电子专业人才的培养模式,建立适用型人才培养制度,采取循环互动的方式来实现微电子专业人才创新创业能力素质的提升7-8。通过高校内部理论学科重组和企业内部实践资源整合的完美结合,来克服传统工科培养模式中缺少创新创业环境和“双师型”教师的弊端,实现“产学研”一体化。表 2 2019 年教育部普通高等学校部分本科专业目录(2020 年版)门类专业类专业代码专业名称工学电子信息类080701电子信息工程工学电子信息类080702电子科学与技术工学电子信息类080703通信工程工学电子信息类080704微电子科学与工程工学电子信息类080705光电信息科学与工程工学电子信息类080706信息工程工学电子信息类080707T广播电视工程工学电子信息类080708T水声工程工学电子信息类080709T电子封装技术工学电子信息类080710T集成电路设计与集成系统 2.集成电路设计与集成系统专业集成电路设计与集成系统专业致力于培养具备坚实的数学、物理基础,适应社会经济和集成电路产业发展,创新精神与实践能力强,具有分析和解决集成电路复杂工程问题的能力,具有良好的综合素质和掌握复合的知识结构的高素质创新型人才9。集成电路设计与集成系统具有高度应用性,当前国内高校受限于传统课程体系模式,对该专业学生缺乏实践工程性培养10。近年,通过明确专业培养目标和高校定位、国民经济、就业领域之间的协同关系,国内高校逐渐摸索出一种以产生导向为培养体系的教学模式11,利用集成电路EDA 技术贯通整个教学体系,加以企业工程实践与高水平专业竞赛辅助,达到对学生多层次教学的培养,完成国家“新工科”教育的要求。三、“新工科”背景下课程群建设2017 年 2 月以来,国家教育部积极部署“新工科”系列任务12,先后达成“复旦共识13”“天大行动14”“北京指南15”系列共识。在新的教育变革和教育形势下,集成电路设计与集成系统专业作为国家集成电路领域战略性人才培养摇篮,对其进行积极研究与探索,才能建设好创新性培养课程群体系。(一)集成电路设计与集成系统课程需求集成电路设计与集成系统是国家特设专业,涵盖微电子、通信、信息、计算机、自动化、制造工吴秀龙,彭春雨:集成电路专业学生课程群贯通式培养模式探索-98 -艺、集成电路设计等众多领域,注重多学科交叉的工程性和实践性。课程体系需覆盖系统设计、逻辑设计、电路设计、版图设计四维层次,也就要求学生掌握计算机技术、电子技术、集成电路设计技术、嵌 入 式 系 统 设 计 技 术 以 及 工 程 技 术 的应用16。集成电路设计与集成系统主干专业课程由专业基础课程为起点,强化学生电路分析、计算机应用能力,提高电子类知识认知,接着通过专业核心课进行拔高培养,主要围绕模拟集成电路设计和数字集成电路设计两个核心课程群进行建设,以EDA 技术进行贯通式教学,最后通过企业合作培育,增强学生专业实践素质,集成电路设计与集成系统专业基本培养课程目录如图 1 所示。图 1 集成电路设计与集成系统专业基本培养课程目录(二)模拟集成电路设计课程群模拟集成电路设计是集成电路设计与集成系统专业重点核心课程,围绕模拟集成电路的基本原理、设计分析以及实践运用等开展教学。模拟集成电路设计教学涵盖基础建设、基础夯实、专业培养、实训拔高四个阶段。国内高校立足集成电路设计与集成系统专业特色,打造以“模拟电子技术基础”“电路分析”“半导体物理”“电子线路”“模拟集成电路原理”等模拟集成电路设计基础课和专业课为主导的主流课程群体系,如 图 2所示17-18。图 2 模拟集成电路设计课程群体系基础建设:“模拟电子技术基础”和“电路分析”作为集成电路设计与集成系统主要专业基础课程,针对学生进行专业基础引导,扎实地基,对后续课程起到入门作用。基础夯实:以“半导体物理”和“电子线路”为主体,搭载旁支课程配合,让学生深入了解半导体器件特性及内部电子过程19-20,进一步完善个人专业基础,强化学生思维中模拟集成电路设计框架体系。专业培养:“模拟集成电路原理”课程是模拟集成电路设计课程群体系中的核心,基于 CMOS晶体管的高阶特性的深入挖掘,提高学生对晶体管模型的理解,掌握其工作方式,完成思维中模拟集成电路设计体系大厦的封顶。实训拔高:基于前述理论课程构建模拟集成电路设计思维体系,通过实训项目弥补思维中抽象概念的不足,形成“学生课程设计校企项目融合专业竞赛竞争”的多维实训模式,突出学生主观能动性,创造出拔尖人才。(三)数字集成电路设计课程群“数字集成电路设计”作为集成电路设计与集成系统专业的主干必修课,主要在于通过数字集成电路设计原理的学习与实验设计,使学生熟练掌握各种基本电路结构的原理特性、分析方法和设计技术,达到培养学生创新设计能力的要求。数字集成电路设计教学按照“看懂学懂用懂”逐一推进模式进行,一环扣一环,整体循环互动,主要以“数字电子技术基础”“计算机语言与程序设计”“硬件描述语言”“数字集成电路原理”“数字电路 EDA 技术”“专用集成电路(ASIC)设计”等课程为主线,构建数字集成电路设计课程群体系(见图 3)21-22。图 3 数字集成电路设计课程群体系看懂(基础理解):“数字电子技术基础”和“计算机语言与程序设计”是数字集成电路设计第 25 卷总第 99 期武汉交通职业学院学报2023 年第 3 期-99 -课程群体系中坚实的基础。“数字电子技术基础”重视基础理论知识强化,通过具体电路模块应用分析,让学生掌握数字集成电路设计的使用23。计算机高级语言 C 语言能对数字逻辑电路的基本功能进行描述和实验,以及在嵌入式系统等领域有着完美结合,通过计算机语言与程序课程涉入,可以极大提高学生逻辑思维能力,同时为后续课程铺垫。学懂(原理实践):“数字集成电路原理”是数字集成设计课程群体系中的核心课程,综合性强,在于指导学生如何应用丰富的理论原理去设计出复杂优异的数字逻辑电路和系统24。硬件描述语言是数字电路形式化语言,以 VHDL 和 Verilog HDL 为主25。“硬件描述语言及应用”是数字集成电路设计中实践类核心课程,主要应用在 FPGA上完成不同规模的电路设计26。两门课程合理搭配,构建出理论原理和实践运用上的“桥梁”。用懂(融会贯通):本阶段是对整个数字集成电路设计体系的进一步升华,补足学生工程能力的短板。“数字电路 EDA 技术”是以实战演练为主的专业课程教学,主要依托计算机为平台,将电子、计算机、智能化等技术融合,考验学生搭建复杂电路,实现“虚实”结合数字设计能力27。“专用集成电路(ASIC)设计”是一门新型课程,要求学生围绕数字集成电路设计的贯通式知识,完成整个整个 ASIC 设计流程,更深入吃透数字集成电路的基本电路结构以及其特性分析,有利于学生“毕业即就业”,实现校企无缝衔接22,27。四、贯通式实践教学(一)贯通式培养“新工科”要求以创新的思维方法、模式去培养以产出为导向的高复合型人才,强化学生是中心的概念,以能力培养作为最终目标28。贯通式培养以学生为中心,以研究性综合项目为导向,贯穿集成电路设计与集成系统专业学生整个培养阶段,注重学科知识的交叉和工程实践的有机结合,旨在培养学生学习知识、运用知识、发现问题、解决问题的工程综合能力,高度契合“新工科”培养概念29。(二)基于贯通式培养的 DES 可重构加密教学案例工业发展,社会进入信息时代,大量数据的存储和传输面临巨大风险30。从芯片加密等思路出发,确保硬件安全,能有效从源头防御风险,保证信息安全。DES 是一种分组加密算法,能有效保护数据安全,成为芯片加密中的研究热点31。通过制定 DES 芯片加密设计研究性项目,对集成电路设计与集成系统专业学生进行贯通式培养,能促进学生紧跟集成电路领域研究热点,达到“新工科”人才培养要求。1.培养思路DES 芯片加密设计研究性项目涉及数学、密码学、计算机、集成电路等多个领域,基础要求高。学生入校后,首先要扎实根基,深入学习自然科学基础知识,接着通过密码学、计算机学相关知识学习了解项目背景,塑造编程性思维,然后基于数字集成电路设计课程群体系完善理论与实践结合的进阶过程,见图 4。图 4 基于贯通式培养的 DES 芯片加密设计教学思路与此同时,学校将会把学生组建成各个研究性小组,搭配专任指导导师,确保项目科学性、体系性,并给予计算机与集成电路设计一体化综合实验室“虚实”结合的平台支持。研究性小组需要相互协作、共同创作,与专任指导老师紧密交流,完成整个项目创建、设计和验证,并总结项目成果,成果可以包括但不限于设计报告、创新发明、科学论文、实际产品,给予学生极大的范围与平台去发挥主观能动性。2.教学方法及步骤贯通式 DES 芯片加密设计研究性项目教学采用研讨式方法,学生是项目主体,学生能力培养是教学最终目标。整个项目过程中,学校和教师起到辅助与引导作用,由学生通过自主研究与相吴秀龙,彭春雨:集成电路专业学生课程群贯通式培养模式探索-100-互讨论去发现问题、解决问题、总结问题。贯通式DES 芯片加密设计研究性项目教学步骤主要划分为以下几点。(1)课程学习:涵盖基础理论课、背景知识课、工程实践课程,主要是牢固学生理论基础和锻炼实操能力。(2)研究性小组构建:学校宏观调控,学生自发搭配,共同构建合理性研究小组。并在学校组织下,各小组同指导老师提前沟通交流,相互了解,最后进行师生双向选择。(3)课题设计:由指导老师引导,研究性小组进行资料调研,在讨论与分析中围绕 DES 芯片加密设计主题设计课题,比如基于 DES 的 ASCI 设计、FPGA 的算法加密设计。(4)实践探索:研究性小组在课程学习的知识和已有的实践能力基础下,通过老师指导和学校平台支持,完成设计课题项目任务。(5)成果展示:各研究性小组需要定期汇报课题进度,同时在规定时间节点完成项目结项,展示项目成果。值得重视的是,结项不以学生是否成功完成课题任务取得优秀科研成果为评判标准,而是重点考察每位学生的项目参与情况和能力提升情况。3.教学总结贯通式 DES 芯片加密设计研究性项目摒弃传统“一步一教,一步一学”的陈旧教学模式,极大地放开学生思想,促进学生个性发展。项目以学生为中心,能力培养为目标,通过学校宏观规划、教师把握方向、学生自主探索的多层次配合,培养学生研究能力、团队协作意识、工程性思维和创新创业能力。五、结语集成电路是信息技术产业的核心,对经济社会发展和国家安全保障有着关键作用。面对当前集成电路领域的巨大人才缺口和对专业人才的高素质要求,本文结合当前国内高校对集成电路专业人才模式培养的探索,在“新工科”背景下聚焦集成电路设计与集成系统专业,构建出一种基于工程实践性质的课程群贯通式培养模式,以期为国家科技强国战略性人才培养提供参考性意见。参考文献:1 佚名.国家集成电路产业发展推进纲要J.中国集成电路,2014,23(07):14-16.2 佚名.教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见J.中华人民共和国教育部公报,2016(06):29-31.3 国务院学位委员会 教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知:学位202030 号A/OL.(2020-12-30)2023-05-15.https:/ 佚名.教育部支持高校建设示范性微电子学院J.集成电路应用,2015(09):46.5 中国电子信息产业发展研究院,等.中国集成电路产业人才发展报告(2020-2021 年版)R.2021-10-21.6 佚名.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N.中国电子报,2020-08-07(03).7 曾凡铮.当前我国微电子产业人才培养模式及其运行机制J.工业设计,2017(06):146-147.8 王月,王春杰.新工科背景下微电子科学与工程专业学生创新创业能力的培养与提升J.教育信息化论坛,2020(04):50-51.9 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):62-65.10 黄海,刘志伟,姜占鹏,等.集成电路设计与集成系统专业工程教育探索与研究C/提升高等学校教育质量的实证研究(上册),哈尔滨:黑龙江教育出版社,2016:107-112.11 范继辉,庞智勇.“新工科”背景下集成电路与集成系统专业人才培养方案探索与实践J.教育现代化,2020,7(52):24-28.12 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