集成电路的计算机辅助设计教学方法改革探索
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作者:马奎
摘要：集成电路设计是一项理论基础要求高、综合性和系统性强、涉及面较广的任务，离不开计算机软件的辅助。开设《集成电路CAD》课程，有利于提高学生的实践能力、加深对专业课程的理解，是系统培养集成电路人才的有效手段之一。针对课程内容抽象的特点，在课堂教学时需通过融入行业前沿信息、设计案例，合理设置随堂练习题、讨论题以及课后习题等一系列内容，丰富教学内容、创造直观生动的课堂氛围，充分调动学生的学习积极性。针对实践性强的特点，通过分组进行课题设计、逐一开展设计报告、加重实践环节的考核比重等方法，可以培养学生的设计思维、提高学生的设计能力。
关键词：集成电路;计算机辅助设计;教学方法;实践训练
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）12-0125-03
一、引言
随着集成电路技术的不断发展，信息的存储和处理能力得到了爆炸式提升，使得信息技术（IT，Information Technology）时代已升级到数据技术（DT，Date Technology）时代。进入21世纪的第二个十年，信息技术已深入人们生产、生活中的方方面面，其在国民经济中的支柱作用愈发凸显。作为信息产业基础和关键的集成电路产业，在这个阶段也迎来了快速发展。从芯片特征尺寸的角度来看，从2010年的65nm发展到了2018年的7nm;从芯片功能和性能的角度来看，越来越多的电路模块被集成到芯片中，片上系统（SoC，System on Chip）越来越智能，自2017年起，苹果公司和华为公司发布的SoC都集成有神经处理单元（NPU，Neural Processing Unit）;从市场分布的角度来看，亚太地区（尤其是中国）是全球规模最大的集成电路市场，市场需求将继续保持快速增长[1]，但市场份额主要被美、欧、日、韩等国家或地区的少数跨国公司所占有。
芯片是一个国家综合国力的象征，没有芯片就没有电子世界，更没有21世纪的制造设计大国[2]。我国虽然拥有庞大的集成电路市场，但尖端核心技术均掌握在少数发达国家手上，随时有被“卡脖子”的风险，2018年初的“中兴事件”就是一个典型的例子。产业的振兴首先要从培养人才开始，集成电路设计是知识密集型行业，需要培养专门的设计人才。集成电路的CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）技术几乎是伴随着集成电路产品的产生而出现的，虽然数字集成电路的设计方法已从CAD演进到EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化），但是模拟和数模混合集成电路的设计目前还是采用CAD技术。在高等教育院校的相关专业中开设“集成电路CAD”课程，加强设计思维培养和设计实例训练，是系统培养集成电路人才的有效手段之一，有利于提高学生的实践能力、加深对专业课程的理解。
二、教学内容安排
《集成电路CAD》是“电子科学与技术”专业高年级本科生的关键专业课程之一，主要覆盖模拟及数模混合集成电路领域。在学习该门课程之前学生需具备《模拟电子技术》《数字电子技术》《半导体器件物理》《微电子工艺》《集成电路分析与设计》等专业课程基础。
本课程的教学内容有两个部分：一是课堂教学，共16学时。其中概论部分2学时，主要讲述集成电路的概念、发展历史及现状、集成电路的计算机辅助设计技术发展历史及现状、集成电路的设计方法及设计流程、集成电路CAD的主要内容等;用2个学时温习集成电路制造技术;专用集成电路的CAD设计方法及设计实例讲解共安排4个学时;CAD电路分析基础、电路元/器件模型各占2个学时;集成电路的版图设计、版图验证及后仿真各占2个学时。
二是课程设计报告，共16学时。在开学第一课上做出安排，由班长或学习委员组织学生分组，5—7人一组，指定一名组长。每个小组从集成运算放大器、电压基准源、集成电压比较器、振荡器、低压差线性稳压器、开关电容电路、全定制逻辑电路（50门以上）以及其他方面选择一个设计课题，从开学第一周开始利用课余时间查阅资料，开展电路设计和仿真、版图设计和验证工作。同一小组中的同学在选定应用领域和设定电路指标参数时要体现出差异。从9—16周，各个小组陆续开展课程设计报告，每次课（2个学时）汇报一个课题。首先由组长介绍所选课题的基本情况，每一位同学补充介绍自己的设计和组内其他同學的差异，采用“PPT展示+CAD软件操作”的组合汇报模式。
三、课程教学方法改革
课堂教学部分：
1.以多媒体教学为主，辅以必要的板书，在教学课件中融入大量的行业前沿信息和集成电路设计案例，丰富教学内容、力求给学生创造直观生动的课堂氛围。
2.在教育过程中嵌入科研项目、实际产品以及生产生活中的应用实例讲解，充分激发学生的学习兴趣、调动学生的积极性。
3.摒弃传统的“老师讲、学生听”的课堂教学模式，在每一个教学内容的关键节点上设置随堂练习题和讨论题，建立讨论式和参与式课堂环境。
4.设置课后思考题，要求学生查阅和综述文献资料、关注行业信息和前沿动态，促使学生自主学习，锻炼他们发现问题、分析问题的能力。
课程设计报告部分：
1.创建探究式、启发式和讨论式教学模式，安排具体设计任务引导学生探究集成电路设计方法、利用相关CAD工具，启发学生运用《模拟电子技术》《数字电子技术》《半导体器件物理》《微电子工艺》《集成电路分析与设计》等专业课程的相关知识，在报告环节鼓励学生积极参与讨论和互动。
2.翻转课堂，课程设计报告环节由每个小组的学生主讲、其他小组的同学参与讨论、老师辅助补充。目的是让学生展示和介绍自己的设计，锻炼学生的分析总结能力和语言表达能力。 3.加强实践教学，《集成电路CAD》本就是一门实践性较强的课程，光靠老师讲解是远远不够的，必须加强实践训练来帮助学生理解和掌握集成电路的设计方法和流程、学会运用集成电路CAD工具。
4.以设计实例展开对课程教学内容的总结，在每个小组进行课题汇报之后，留出一定的时间给老师针对相应课题的总结和拓展，同时也对课程教学内容进行总结。
四、课程考核方式改革
传统的“一张试卷”的考核方式不适用于实践性和综合性较强的《集成电路CAD》课程，只通过期末“课程论文”来进行考核也显得比较单调。因此，为了能够充分体现课程教学效果和学生学习水平，该门课程的考核方式做了如下几个方面的改革。
1.加强课堂教学过程中随堂练习、课堂讨论和课后作业考核，加重该部分考核所占的比例。这部分主要是激发学生的学习积极性、参与课程教学过程、督促学生做好平时预习和复习，加大对学生学习过程的考核。
2.强化课题设计实践，加重课程设计报告所占的考核比例。《集成电路CAD》是一门实践性和综合性较强的课程，教学内容中光有理论不行，考核时光考核理论知识也不行。通过设计课题来考核学生运用前序课程以及本科课程基础知识的能力、加强过程考核，突出对学生分析问题和解决问题的能力以及动手能力的考查。
3.降低期末“课程论文”所占的考核比例。期末“课程论文”主要包含集成电路设计基础知识和课题设计主要内容两个部分，主要考核学习的总结能力和文字表达能力。
课程考核方式及要求：随堂练习、课堂讨论、回答问题、课后作业及考勤等情况由任课教师做好相关记录，依据打分;每位同学的课程设计报告用10分钟左右进行PPT展示，PPT连同课程论文一起上交，任课教师对设计的正确性及完整性、口头汇报的质量等做好记录，依据打分;每位同学在期末提交一份课程论文，内容主要就是描述设计课题，任课教师根据课程论文质量给分。
最终考核成绩分配：平时成绩（涵盖随堂练习、课堂讨论和课后作业）占30%，课程设计幻灯片报告占30%，期末课程论文占40%。
五、加强锻炼学生设计思维
CAD只是一种辅助分析手段，集成电路的设计关键还是在于设计人员。因此，在《集成电路CAD》课程教学过程中注重培养学生的设计思维也是很有必要的。在课堂教学和课程设计报告两个部分，可以从如下几个方面锻炼学生的设计思维和设计能力。
1.将学生分组，5—7人組成一个小组，每个小组选定一名组长。在理论教学和设计实践部分，由组长组织小组成员开展基础知识学习和巩固、设计方案拟定和执行设计等工作，锻炼学生的团队协作能力。
2.在课堂教学部分，在讲解每部分内容时都和设计挂钩，告诉学生在设计过程中应该怎样运用该部分知识，并设置一些启发性的讨论题和思考题，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
3.在设计实践中鼓励学生灵活运用基础知识、勇于打破常规，充分发挥自己的主观能动性，培养学生的设计能力和创新意识。
4.在课程考核时，注重评价学生设计思维和设计能力的体现，对有创新、设计思路可行、且能够借助理论或CAD工具软件进行分析验证的设计成果应该给予高分。
六、总结
集成电路的应用涉及人们生产生活的各个方面，《集成电路CAD》课程教学内容抽象、涉及面广、实践性强，其教学必须借助多媒体和CAD分析等手段向学生进行可视化展示、通过设计实例向教授学生设计方法和思路、通过设计课题训练学生的设计能力。文章在课堂教学、课程设计报告以及考核方式几个方面均提出了改革建议，目的是创建启发式、探究式、讨论式、参与式的生动课堂氛围，通过翻转课堂锻炼学生的分析总结能力和语言表达能力，以考核方式的改革来帮助学生抓住课程要点。另外，还提出了几点加强锻炼学生设计思维和设计能力的建议。
参考文献：
[1]国家集成电路产业发展推进纲要[J].中国集成电路，2014，（7）：14-16.
[2]向舜然.集成电路CAD课程问题分析及解决[J].信息化建设，2015，（6）：112-113.
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