董慧 李曉維

摘 要：文章通過以計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室為例，介紹了面向計算機(jī)集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的課程體系建設(shè)及其特色，教材建設(shè)及教學(xué)成效，案例翔實。

關(guān)鍵詞：集成電路；質(zhì)量技術(shù)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類號：C961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）01-0018-03

Abstract： In this paper， we set the key state-owned computer constructional laboratory as an example， introduce the construction and characteristic of the talents training course in face of the technological innovation in computer integrated circuit field， as well as the construction of teaching material and teaching effect.

Keywords： integrated circuit； quality technology； innovative talents training

一、背景

集成電路芯片設(shè)計中的bug、制造中產(chǎn)生的故障、使用過程中的環(huán)境干擾和老化問題，可能導(dǎo)致信息系統(tǒng)失效、造成經(jīng)濟(jì)損失甚至災(zāi)難性后果。在集成電路（IC）芯片廣泛應(yīng)用于電子信息系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量要求日益提高的大趨勢下，對設(shè)計驗證的完備和高效、芯片故障的快速可靠精確測試、芯片運(yùn)行時容錯的需求越來越高。驗證、測試和容錯是數(shù)字IC質(zhì)量保障的主要技術(shù)手段。

中科院計算所在集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域有近四十年的科研積累，曾于二十世紀(jì)九十年代多次榮獲中國科學(xué)院自然科學(xué)獎。2000年以來，隨著計算所多款芯片的研制成功，在包括驗證、測試、容錯等在內(nèi)的全生命周期集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域取得了豐碩的科研成果，培養(yǎng)鍛煉了一支活躍的教育教學(xué)科研團(tuán)隊“中科院計算所測試與容錯技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊”。

經(jīng)過十余年的努力，本教育教學(xué)科研團(tuán)隊結(jié)合中科院計算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復(fù)處理器等）的全生命周期質(zhì)量技術(shù)問題，建立了完整的課程體系，包括 3門核心課程、3門研討課程和 4門國際合作課程，在國內(nèi)外研究生教學(xué)機(jī)構(gòu)中都很少見。

二、教育教學(xué)實踐簡介

由中科院計算所和中國科學(xué)院大學(xué)合作完成的“面向集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育教學(xué)實踐”成果，包含一個覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的完整的課程體系，包含10門課程，如下表所示。其中3門核心課程《VLSI測試與可測試性設(shè)計》、《集成電路驗證》、《數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯設(shè)計》在國科大均有十余年科研教學(xué)實踐（如表1）。

教育教學(xué)目標(biāo)：通過系統(tǒng)地講授集成電路質(zhì)量技術(shù)的核心課程、高級選修課程，使研究生掌握集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域堅實寬廣的基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)深入的專門知識，具有集成電路驗證、測試、容錯設(shè)計方向獨(dú)立從事科學(xué)研究工作、取得創(chuàng)新性研究成果的能力，并培養(yǎng)集成電路驗證、測試、容錯設(shè)計方向高級工程技術(shù)人員、服務(wù)于集成電路產(chǎn)業(yè)。

本教育教學(xué)實踐成果主要體現(xiàn)在下面三個方面：

1. 鍛煉了一支優(yōu)秀的教師隊伍：課程體系的全部教員（李曉維研究員、李華偉研究員、沈海華副教授、胡瑜研究員、韓銀和研究員等）均來自于科學(xué)研究工作的第一線——北京市創(chuàng)新團(tuán)隊“中科院計算所測試與容錯技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊”。主要教員2009年以來獲得：中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎 4人次，中科院優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎 1人次；國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎 1項、國家科技進(jìn)步獎二等獎 1項、北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎 1項、中國質(zhì)量協(xié)會質(zhì)量技術(shù)獎一等獎1項。

2. 培養(yǎng)了卓有成效的創(chuàng)新人才：本團(tuán)隊指導(dǎo)的學(xué)生2009年來獲得中科院院長獎 6人次，中科院優(yōu)秀博士論文獎 1人次，中國計算機(jī)學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎 1人次，北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次。培養(yǎng)的博士生已有13位擔(dān)任副教授；1人擔(dān)任航天某所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機(jī)，獲得國家技術(shù)發(fā)明獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎各1項；培養(yǎng)的碩士生1人在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱號。

3. 踐行了科教融合的教學(xué)實踐：（1）出版學(xué)術(shù)專著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用；（2）依托中科院計算所集成電路實驗室，教學(xué)內(nèi)容與教員承擔(dān)的科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)的學(xué)生在國際學(xué)術(shù)會議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學(xué)生競賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請美國知名教授合作講授 4門研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國際一流學(xué)者的合作研究。2009年以來本團(tuán)隊學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

三、教育教學(xué)實踐特色

本教育教學(xué)實踐不僅能生動形象地為學(xué)生詮釋集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域的基本概念、基本原理、基本方法，還給學(xué)生提供了工程開發(fā)和技術(shù)實踐的實驗環(huán)境，并將該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展引入課堂，解決了教學(xué)與科研脫節(jié)的問題，促進(jìn)了學(xué)生進(jìn)一步在該領(lǐng)域從事前沿技術(shù)研究，做到了教育和科研的無縫銜接。

（一）出版學(xué)術(shù)專著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用

授課教師根據(jù)多年的研究積累，完成了 4部中文著作——《數(shù)字集成電路測試優(yōu)化》、《數(shù)字集成電路設(shè)計驗證》、《低功耗集成電路》、《數(shù)字集成電路容錯設(shè)計》，以及1部譯著《全面的功能驗證：完整的工業(yè)流程》，作為這 3門課程的主要教材和教學(xué)參考書。

測試課程引進(jìn)國際專著《VLSI TEST PRINCIPLES AND ARCHITECTURES： Design for Testability》作為主要教材。首席教師李曉維研究員參與了該著作第 6章的撰寫。驗證課程引進(jìn)和翻譯了IBM資深驗證工程師撰寫的國際專著《全面的功能驗證：完整的工業(yè)流程》作為研究生教材；容錯課程引進(jìn)國際經(jīng)典著作《Reliability of Computer Systems and Networks： Fault Tolerance， Analysis， and Design》作為主要教材。上述教材有效保障了核心課程的教學(xué)內(nèi)容與國外先進(jìn)水平接軌。

此外，授課教師在引進(jìn)翻譯英文著作和撰寫中文著作的過程中，對本領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語的中文翻譯進(jìn)行了認(rèn)真的校訂，促進(jìn)了學(xué)科的建設(shè)和國際前沿技術(shù)在國內(nèi)的傳播。

（二）依托中科院計算所集成電路實驗室，教學(xué)內(nèi)容與科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力

《VLSI測試與可測試性設(shè)計》課程的科研實踐中，學(xué)生可使用一款異構(gòu)多核系統(tǒng)芯片Godson-Dm，學(xué)習(xí)和實踐分布式與多路選擇器結(jié)合的測試訪問機(jī)制設(shè)計?！都呻娐夫炞C》課程的科研實踐中，學(xué)生可使用一款A(yù)RM v8處理器，進(jìn)行基于指令模板的通用處理器約束隨機(jī)指令生成，學(xué)習(xí)和實踐各種功能場景的驗證?！稊?shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯設(shè)計》課程的科研實踐中，學(xué)生可使用一款自修復(fù)處理器SRP，學(xué)習(xí)和實踐利用SRP搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)容錯節(jié)點。

通過上述課程的學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。培養(yǎng)的博士生鄢貴海在IEEE ATS'10上獲得博士論文競賽冠軍、在IEEE ITC'11上獲得TTTC國際博士論文競賽亞軍；博士生王穎在IEEE DAC'16上獲得國際低功耗圖像識別競賽冠軍。

（三）聘請美國知名教授合作講授4門研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國際一流學(xué)者的合作研究

為了加強(qiáng)教學(xué)和教育的國際交流，授課教師持續(xù)邀請國際著名高校的教授和專家來訪并講授研究生課程，代表性課程包括：1.為美國UCSB大學(xué)Kwang-Ting Cheng教授（IEEE Fellow）申請中科院多學(xué)科交叉研究專項，在2012年3月-9月期間來訪，開設(shè)研究生課程《高通量計算系統(tǒng)的可靠設(shè)計、驗證與測試》； 2.邀請美國UT Austin大學(xué)Jacob Abraham教授（IEEE Fellow）來計算所短期國際合作，在2013年6月講授研究生課程《VLSI Testing and Design Verification》；3.聘請美國麻省大學(xué)Sandip Kundu教授（IEEE Fellow）為中科院外國專家特聘研究員，在2014年3月-4月講授研究生課程《Design for Manufacturability and Reliability of VLSI Circuits》；4.承辦龍星計劃課程——“高性能數(shù)字系統(tǒng)的建模與驗證”（2016年9月），由美國波特蘭州立大學(xué)Xiaoyu Song教授講授。

這些課程的開設(shè)，促進(jìn)了課程體系的國際交流、改進(jìn)和完善，給選課學(xué)生提供了豐富的科研視野，為研究選題、創(chuàng)新思路和實驗方法提供了深入的指導(dǎo)。學(xué)生與Kwang-Ting Cheng教授合作的研究論文2014年在IEEE Trans. VLSI System發(fā)表，與Sandip Kundu教授合作的研究論文2016年在IEEE Trans. CAD發(fā)表。

2009年來本團(tuán)隊學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

四、教育教學(xué)實踐成效

“面向集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教育教學(xué)實踐”形成了一個覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的完整的課程體系，僅在中科院研究生院/中國科學(xué)院大學(xué)選修上述課程的研究生就有一千多人。

（一）推動了國內(nèi)外高校集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域研究生課程的開設(shè)

參與本課程體系學(xué)習(xí)的學(xué)生畢業(yè)后使用相同的教材和課件，在同濟(jì)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國石油大學(xué)、江南大學(xué)等開設(shè)了同類研究生課程，進(jìn)一步促進(jìn)了我國集成電路質(zhì)量技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。參與編寫的英文教材被美國斯坦福、UCSB、UCSD、UT Austin、麻省大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、臺灣清華大學(xué)、臺灣大學(xué)、日本九州工業(yè)大學(xué)等十幾所國際知名高校采用。

（二）培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)界優(yōu)秀人才及多名集成電路業(yè)界領(lǐng)軍人才

本團(tuán)隊指導(dǎo)的學(xué)生2009年來獲得中科院院長獎 6人次（付斌章、胡杏、黃柯衡、鄢貴海、葉靖、周艷紅），中科院優(yōu)秀博士論文獎 1人次（鄢貴海），中國計算機(jī)學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎 1人次（鄢貴海），北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次（董建波、馬君、周君）。培養(yǎng)的博士生已有13位任職副教授（張磊、鄢貴海、李佳、王達(dá)、付斌章、安竹林、張穎、付祥、裴頌偉、高建良、靳松、劉軍、許達(dá)文）。

修課學(xué)生劉波現(xiàn)任航天二院502所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機(jī)，獲得國家技術(shù)發(fā)明獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎各1項。

培養(yǎng)的碩士生張飛飛在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，于2013年創(chuàng)立江蘇邦融微電子有限公司，擔(dān)任總經(jīng)理，主營安全類芯片-指紋識別芯片和指紋識別模組，榮獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱號。

（三）在教育教學(xué)實踐中打造了一支優(yōu)秀的教學(xué)科研團(tuán)隊

本教學(xué)科研團(tuán)隊的全部教員（李曉維、李華偉、沈海華、胡瑜、韓銀和等）均來自于科學(xué)研究工作的第一線。團(tuán)隊成員先后獲得中國質(zhì)量協(xié)會質(zhì)量技術(shù)獎一等獎（2011）、國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎（2012）、北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎（2014）、國家科技進(jìn)步獎二等獎（2015）。李曉維領(lǐng)銜的“中科院計算所測試與容錯技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊”入選2014年度“科技北京”百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程。

李曉維獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎（2009和2016）、中科院優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師獎（2012）、中國計算機(jī)學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文導(dǎo)師獎（2012）；李華偉獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎（2012）；胡瑜獲中科院朱李月華優(yōu)秀教師獎（2013）。

五、結(jié)束語

本教育教學(xué)實踐成果形成了覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的課程體系，培養(yǎng)了卓有成效的創(chuàng)新人才，踐行了科教融合的教學(xué)實踐。

覆蓋集成電路全生命周期質(zhì)量技術(shù)的課程體系：結(jié)合中科院計算所研制的多款芯片（多核處理器、眾核處理器、自修復(fù)處理器等）的全生命周期質(zhì)量技術(shù)問題，建立了完整的課程體系，包括3門核心課程、3門研討課程和4門國際合作課程，在國內(nèi)外研究生教學(xué)機(jī)構(gòu)中都很少見。其中3門核心課程《VLSI測試與可測試性設(shè)計》、《集成電路驗證》、《數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與容錯設(shè)計》均有十余年教育教學(xué)實踐。

卓有成效的創(chuàng)新人才培養(yǎng)：本團(tuán)隊指導(dǎo)的學(xué)生2009年來獲得中科院院長獎 6人次，中科院優(yōu)秀博士論文獎 1人次，中國計算機(jī)學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎 1人次，北京市優(yōu)秀畢業(yè)生 3人次。培養(yǎng)的博士生已有13位擔(dān)任副教授；1人擔(dān)任航天某所研究員，負(fù)責(zé)并研制成功了“神舟九號”飛船的容錯控制計算機(jī)，獲得國家技術(shù)發(fā)明獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎各1項；培養(yǎng)的碩士生1人在集成電路領(lǐng)域成功創(chuàng)業(yè)，獲“昆山市2014年度領(lǐng)軍型創(chuàng)業(yè)人才”稱號。

科教融合的教學(xué)實踐：（1）出版學(xué)術(shù)專著 4本、譯著1本作為教材和教學(xué)參考書，參與編寫的英文教材被國際名校普遍采用；（2）依托于中科院計算所集成電路實驗室、國科大計控學(xué)院智能硬件及硬件安全實驗室（基礎(chǔ)EDA工具平臺、FPGA仿真實驗環(huán)境等），教學(xué)內(nèi)容與教員承擔(dān)的科研緊密結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)的學(xué)生在國際學(xué)術(shù)會議DAC'16、ATS'10、ITC'11的學(xué)生競賽中獲2次冠軍、1次亞軍；（3）聘請美國知名教授合作講授4門研究生課程，促進(jìn)學(xué)生與國際一流學(xué)者的合作研究。2009年以來本團(tuán)隊學(xué)生在IEEE/ACM Transactions上發(fā)表論文36篇。

經(jīng)過八年來的建設(shè)，我們在培養(yǎng)集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的同時，造就出一支年齡結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)經(jīng)驗豐富、學(xué)術(shù)造詣高的集成電路質(zhì)量技術(shù)領(lǐng)域核心課程教師隊伍，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗，取得了豐碩的成果。我們在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實踐等方面，堅持改革和創(chuàng)新，及時將科研活動中取得的最新成果融入教學(xué)中，促進(jìn)了教學(xué)水平的不斷提高，保證了課程體系建設(shè)始終處于國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先的水平。

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