劉海濤 唐枋 甘平 林智

[摘 要] “模擬集成電路”課程不僅需要講解理論知識(shí)，還需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。目前課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在實(shí)驗(yàn)題目和內(nèi)容與教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合不緊密、與工程實(shí)踐結(jié)合不緊密的問(wèn)題，學(xué)生很難掌握電路及版圖設(shè)計(jì)方法，因此很難取得較好的教學(xué)效果。對(duì)“模擬集成電路”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，以工程應(yīng)用實(shí)踐中應(yīng)該掌握的全部技能為目標(biāo)，采用項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并在實(shí)驗(yàn)流程的多個(gè)步驟設(shè)置明確的考核內(nèi)容。實(shí)踐檢驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得了良好的成效。

[關(guān)鍵詞] 模擬集成電路;工程應(yīng)用;實(shí)驗(yàn)教學(xué);改革;實(shí)踐

[基金項(xiàng)目] 2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“模擬集成電路的工程實(shí)踐教學(xué)改革”（201902024012）;2020年度重慶大學(xué)教改項(xiàng)目“基于CCIO模式的模擬集成電路設(shè)計(jì)課程研究與實(shí)踐”（2020027）

[作者簡(jiǎn)介] 劉海濤（1975—），男，四川平昌人，博士，重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院副教授，主要從事集成電路與集成系統(tǒng)理論與實(shí)踐教學(xué)研究;唐 枋（1983—），男，重慶人，博士，重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院教授，主要從事定制集成電路研究;甘 平（1974—），男，重慶人，博士，重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字集成電路研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）12-0067-04 [收稿日期] 2021-07-14

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，集成電路成為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，特別是近兩年國(guó)際形勢(shì)發(fā)生了重大變化，集成電路技術(shù)已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的“卡脖子”工程。近年來(lái)，國(guó)家和地方對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)高度重視，2014年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，強(qiáng)調(diào)集成電路發(fā)展的重要性[1-3]。

“模擬集成電路”課程主要介紹模擬集成電路的設(shè)計(jì)流程、模擬集成電路基本單元、集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以及使用EDA工具實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，是一門(mén)理論與實(shí)踐相結(jié)合的集成電路設(shè)計(jì)入門(mén)課程[4-8]。課程主要使學(xué)生學(xué)習(xí)掌握系統(tǒng)的集成電路知識(shí)和使用EDA工具進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì)的能力。該課程的講授不僅需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，才能取得良好的教學(xué)效果?！澳M集成電路”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有其獨(dú)特性[9-14]，主要體現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部在EDA環(huán)境下完成;EDA工具安裝在Linux或UNIX系統(tǒng)下;集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的EDA工具使用比較困難，并且價(jià)格昂貴;每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各不相同，但實(shí)驗(yàn)的流程基本相同。

目前在“模擬集成電路”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)題目和內(nèi)容與教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合不緊密、與工程實(shí)踐結(jié)合不緊密，學(xué)生很難掌握設(shè)計(jì)方法，尤其是版圖設(shè)計(jì)，往往很難取得較好的教學(xué)效果。

一、改革具體措施

通過(guò)改革“模擬集成電路”課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，采用項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，使學(xué)生掌握具有工程實(shí)踐的集成電路分析與設(shè)計(jì)的方法，解決目前高校集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與社會(huì)工程實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題，使學(xué)生在畢業(yè)時(shí)具備一定的實(shí)際動(dòng)手能力，進(jìn)入社會(huì)后能盡快走向工作崗位，避免目前“學(xué)用分離”的現(xiàn)象。

（一）突出實(shí)踐，理論配合

傳統(tǒng)“模擬集成電路”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以理論教育為主，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)規(guī)則非常熟悉，但實(shí)踐動(dòng)手能力不足，往往在畢業(yè)后進(jìn)入集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)還需花大量時(shí)間進(jìn)行二次設(shè)計(jì)能力培訓(xùn)，造成了人力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。這是由于教師沒(méi)有清晰認(rèn)識(shí)“模擬集成電路”課程的性質(zhì)，講授還是采取傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)方式，偏重理論，缺乏實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，影響了學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)電路的能力。

“模擬集成電路”課程是一門(mén)承接系統(tǒng)、電路、EDA技術(shù)、工藝的綜合性課程，如果按照傳統(tǒng)教育方式進(jìn)行授課，課程的實(shí)踐性和綜合性無(wú)法得到體現(xiàn)，違背了課程自身固有的規(guī)律，教學(xué)效果不能滿足產(chǎn)業(yè)界對(duì)模擬集成電路工程實(shí)踐的要求。在反思了課程的本質(zhì)特點(diǎn)后，采取了實(shí)踐優(yōu)先，理論配合的教學(xué)方法，具體內(nèi)容如下：根據(jù)邏輯與電路功能性的要求設(shè)計(jì)電路，按照一定的工藝水平要求設(shè)計(jì)用于光刻的掩膜圖形，并實(shí)現(xiàn)芯片的最終設(shè)計(jì)輸出。

教師首先講授設(shè)計(jì)工具EDA軟件的使用，讓學(xué)生掌握EDA軟件的每一個(gè)主要功能，從圖形的選擇到材料的配置，讓學(xué)生從感性角度理解實(shí)際的電路和版圖設(shè)計(jì)是如何進(jìn)行的、每一步是如何使用EDA軟件完成的、整個(gè)芯片版圖設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)則有哪些。學(xué)生在這個(gè)時(shí)候設(shè)計(jì)的版圖可能不很準(zhǔn)確和完善，但是，學(xué)生對(duì)什么是版圖和如何設(shè)計(jì)版圖有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，建立起版圖設(shè)計(jì)的基本概念，并為后續(xù)的課程奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。此時(shí)，教師再詳細(xì)進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)理論知識(shí)的講授，學(xué)生能更深刻地理解相應(yīng)的工藝知識(shí)和半導(dǎo)體理論，真正實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐完美結(jié)合的教育理念，有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

（二）注重細(xì)節(jié)，加強(qiáng)引導(dǎo)

在傳統(tǒng)“模擬集成電路”課程教學(xué)方式中，理論講授占據(jù)大部分時(shí)間，學(xué)生知道電阻、電容、二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等基本元器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，但是在設(shè)計(jì)的實(shí)際過(guò)程中，對(duì)于為什么采用這些元器件的電路形式，學(xué)生并不理解。針對(duì)學(xué)生的疑惑，教師從工藝細(xì)節(jié)入手解決這個(gè)問(wèn)題。作為集成電路設(shè)計(jì)者，首先要熟悉工藝條件和器件物理，才能確定晶體管的具體尺寸，連線的寬度、間距，各次掩膜版的套刻精度等。版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則是由工藝決定的，掌握了工藝也就掌握了版圖設(shè)計(jì)的鑰匙。我們將工藝文件的通用技術(shù)規(guī)則向?qū)W生進(jìn)行逐條講解，由通用元器件的設(shè)計(jì)規(guī)則歸納出它們的共性，包括最小長(zhǎng)度、寬度、間距等參數(shù)，提醒學(xué)生記憶。通過(guò)對(duì)比學(xué)習(xí)和研究不同芯片生產(chǎn)廠商的工藝，學(xué)生在學(xué)習(xí)這一系列設(shè)計(jì)規(guī)則的過(guò)程中，逐漸理解并熟悉了工藝規(guī)則文件的構(gòu)成方式及學(xué)習(xí)要點(diǎn)，能夠在不同工藝規(guī)則下舉一反三，設(shè)計(jì)同一種元器件的版圖，即使電路元器件的數(shù)量巨大、電路拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，在教師耐心的講解下，學(xué)生也能夠依據(jù)工藝規(guī)則設(shè)計(jì)出符合要求的版圖，這都是在理解了工藝規(guī)則細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上完成的。因此，關(guān)注細(xì)節(jié)，加強(qiáng)引導(dǎo)，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的一個(gè)重要方法。

（三）過(guò)程檢查，結(jié)果考核

一個(gè)工程實(shí)踐中全定制集成電路典型設(shè)計(jì)流程（如圖1所示）包括邏輯電路、晶體管級(jí)電路、版圖設(shè)計(jì)等幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，具體包括原理圖設(shè)計(jì)及仿真、版圖設(shè)計(jì)及后仿真。具體包含晶體管級(jí)電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC（Design Rule Check）、版圖與電路原理圖一致性比較LVS（Layout Versus Schematic）、寄生參數(shù)提取LPE（Lay out Parasitic extraction）和后仿真。

對(duì)于剛接觸集成電路設(shè)計(jì)的本科生來(lái)講，這些步驟的操作具有一定的難度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中要確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，必須建立明確的目標(biāo)和考核內(nèi)容。因此，把這些實(shí)驗(yàn)整體流程分別展開(kāi)，分解為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)流程步驟。最終得到一個(gè)直線型的集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，同時(shí)每一步實(shí)驗(yàn)流程有相應(yīng)的考核內(nèi)容（見(jiàn)圖2）。

教師根據(jù)學(xué)生上傳到服務(wù)器的不同設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)打分，并且就每個(gè)項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)生成詳細(xì)的報(bào)告，以便對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行評(píng)審。通過(guò)查閱報(bào)告，學(xué)生可以了解課程學(xué)習(xí)的不足和每一環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)得分，為下次提高設(shè)計(jì)成績(jī)提供很好的參考。

在“模擬集成電路”課程中，將實(shí)驗(yàn)流程應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)方法，符合集成電路原理與設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)。這種多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式能夠使學(xué)生對(duì)Linux或UNIX操作系統(tǒng)熟悉，學(xué)生在掌握了這種設(shè)計(jì)方法和過(guò)程后，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)集成電路。

（四）比賽練兵，實(shí)戰(zhàn)演練

由于目前集成電路流片加工的費(fèi)用很高，動(dòng)輒好幾萬(wàn)元，本科生在集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)流程的流片這一步驟無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)又要使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練符合工程實(shí)際的要求，因此，采取接近實(shí)戰(zhàn)化的實(shí)驗(yàn)顯得非常重要。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們基于中電24所的0.18μm的CMOS工藝和0.35μm的JFET-雙極型工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)生設(shè)計(jì)的電路在條件允許的情況下完成流片后就是可用的芯片。這種基于實(shí)際工藝的設(shè)計(jì)縮小了設(shè)計(jì)和工藝之間的距離。

具體方法：根據(jù)知識(shí)點(diǎn)，將模擬電路分成幾類(lèi)，并從每一類(lèi)中提取出多種經(jīng)典的電路，利用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24研究所的代工工藝，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師們?cè)O(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)電路的版圖，作為電路模塊單元放在服務(wù)器上供學(xué)生參考。在學(xué)生充分了解電路模塊庫(kù)單元的電路實(shí)例基礎(chǔ)上，將一些實(shí)用的電路設(shè)計(jì)布置給學(xué)生，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出合格的版圖，以此作為最終的考核評(píng)估。學(xué)生在學(xué)習(xí)課程期間，可以接觸到不同芯片代工工藝、多種類(lèi)不同結(jié)構(gòu)的電路，這極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情和時(shí)間感。

學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到多種問(wèn)題，他們會(huì)采取多種方式和手段加以解決，如向教師詢(xún)問(wèn)、和同學(xué)討論等，這既可以督促學(xué)生在課堂上認(rèn)真聽(tīng)講，而且多角度思考遇到的問(wèn)題。最重要的是他們親自動(dòng)手設(shè)計(jì)電路時(shí)，綜合考慮工藝、電路、器件等因素，在較短的時(shí)間內(nèi)，集成電路設(shè)計(jì)能力將得到極大提高。除了在日常的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中進(jìn)行集成電路項(xiàng)目設(shè)計(jì)之外，學(xué)生還積極參加集成電路專(zhuān)業(yè)的相關(guān)比賽，通過(guò)比賽體會(huì)一些具有挑戰(zhàn)性的集成電路項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高學(xué)生在實(shí)際場(chǎng)景下的設(shè)計(jì)能力和項(xiàng)目組織能力，為他們未來(lái)進(jìn)入職場(chǎng)從事集成電路設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)能力和實(shí)際問(wèn)題解決能力的基礎(chǔ)。

二、改革成效

通過(guò)“模擬集成電路”課程實(shí)驗(yàn)方法改革，學(xué)生的集成電路分析與設(shè)計(jì)能力、集成電路制造與工藝，甚至于微電子技術(shù)相關(guān)的科目課程成績(jī)得到了提高，在各類(lèi)競(jìng)賽、推免及研究生考試、畢業(yè)就業(yè)等方面都嶄露頭角。

推免研究生及考研成果明顯。扎實(shí)的集成電路分析與設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)基本功，使多個(gè)學(xué)生順利通過(guò)筆試和面試，進(jìn)入了清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科大、電子科技大學(xué)等學(xué)校和科研單位，擴(kuò)大了集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的國(guó)內(nèi)外影響力。

畢業(yè)學(xué)生就業(yè)專(zhuān)業(yè)對(duì)口率明顯提高，受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)用人單位的青睞和好評(píng)。眾多學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入了日本NEC公司、武漢烽火科技公司、中電集團(tuán)24所、聯(lián)華電子、國(guó)防科大計(jì)算機(jī)公司、華大九天集成電路公司等。

2019年參加全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)大賽，獲得西南分賽區(qū)三等獎(jiǎng)。2020年在全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得全國(guó)總決賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、西南分賽區(qū)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。參加全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽和重慶市大學(xué)生電子競(jìng)賽，獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和重慶市獎(jiǎng)多項(xiàng)。

結(jié)語(yǔ)

從集成電路系統(tǒng)教學(xué)的需要出發(fā)，解決了目前“模擬集成電路”課程教學(xué)中存在的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手分離、缺乏集成電路版圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等教學(xué)難題，以集成電路設(shè)計(jì)工程應(yīng)用實(shí)踐中應(yīng)該掌握的全部技能為目標(biāo)，采用項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，將完整的全定制集成電路設(shè)計(jì)流程貫穿于集成電路設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)中去，并在實(shí)驗(yàn)流程的每一步驟設(shè)置明確的考核內(nèi)容。該改革方法經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)取得了較好成效。

參考文獻(xiàn)

[1]殷樹(shù)娟.面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的集成電路設(shè)計(jì)本科課程改革[J].教育教學(xué)論壇，2016（14）：59-60.

[2]劉有耀，杜慧敏，張麗果.集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的課程體系研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（35）：49-51.

[3]李莎，魯瑩，董建娥.產(chǎn)學(xué)研背景下集成電路原理與設(shè)計(jì)課程改革[J].數(shù)碼世界，2020（12）：151-152.

[4]RAHAEY Jan M， CHANDRAKASAN Anantha， NIKOLIC Borivoje.數(shù)字集成電路：電路、系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[M].2版.周潤(rùn)德，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2017：7-8.

[5]KANG Sung-Mo， LEBLEBICI Yusuf， KIM Chulwoo. CMOS數(shù)字集成電路：分析與設(shè)計(jì)[M].4版.王志功，竇建華，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2020：33-34.

[6]王志功，陳瑩梅.集成電路設(shè)計(jì)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2013：4-5.

[7]粟濤，龐志勇，陳暉.“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程教學(xué)內(nèi)容的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（4）：30-32.

[8]魏繼增，郭煒，張鋼.超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（2）：28-31.

[9]藺智挺.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模擬集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（1）：122-126.

[10]毛劍波，汪濤，張?zhí)鞎?微電子專(zhuān)業(yè)集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育，2012（23）：52-53+61.

[11]施敏，張振娟，黃靜，等.集成電路版圖CAD課程實(shí)踐教學(xué)的研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2014（3）：43-44+47.

[12]呂楠，張鶴玖，賀小敏.基于新工科的《模擬集成電路》課程教學(xué)改革[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)（下），2020，8（9）：197-198.

[13]彭森.地方本科院校模擬集成電路設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)改革探析[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2018（33）：24.

[14]章丹艷.“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革探索[J].電子世界，2018（8）：67-68.

Reform and Practice of the Experimental Teaching of Analog Integrated Circuit Course

LIU Hai-tao， TANG Fang， GAN Ping， LIN Zhi

（School of Microelectronics and Communication Engineering， Chongqing University，

Chongqing 400044， China）

Abstract： The teaching of Analog Integrated Circuit course needs not only solid theoretical knowledge， but also reasonable experiments. At present， there are some problems in the experiments of the course of Analog Integrated Circuit For example， the experiment topics and contents are not closely related with the theoretical teaching and engineering practice， so it is difficult for students to master the circuit and layout design method， and it is also difficult to achieve good results. To carry out experimental teaching reform research in Analog Integrated Circuit course， we should take all the skills that should be mastered in engineering application practice as the teaching goals， adopt project-based experimental teaching method， and set clear assessment content in the multiple steps of the experimental process. Finally， the practice result shows that the experimental teaching reform has achieved good results.

Key words： Analog Integrated Circuit; engineering application; experimental teaching; reform; practice