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【關鍵詞】數字集成電路；設計方法；同步數字系統

【中圖分類號】TN402【文獻標識碼】A【文章編號】1006-4222（2016）04-0197-02

數字電路設計是一個正在不斷發展著的學科，針對其設計方法一般包括了兩種：①同步設計；②異步設計。從目前市場上的產品來看，大多數的數字電路都是采用同步設計的設計方法，究其原因，同步設計主要元器件是觸發器，該技術較為成熟。但是隨著人們需求的不斷變化，異步設計也已經開始慢慢走近人們的視野之中。本文將首先對數字電路的設計流程進行簡單的論述。

1數字電路流程設計

伴隨著熟悉電路的發展，慢慢的，它已經有了較為完整的體系，主要包括了系統架構、RTL設計、綜合優化、布局布線、版圖設計等幾個方面。下面依次對這幾個方面進行介紹。系統架構是整個設計最基礎的環節，同時也是十分重要的環節，因為只要有了一個好的系統構架那么設計起來就會十分的方便。在這個環節中需要對模塊進行劃分，同時也需要對接口進行定義等。下一個環節便是RTL設計。這一環節是核心環節因為在這一階段需要用相應的語言來將電路描述出來。綜合優化就是將RTL轉化為相應的硬件電路。這個環節中往往是和工藝廠商進行合作，從而搭建出合適的電路。數字電路的布局布線與模擬電路相比要簡單許多，因為很對芯片制造后，生產者就會給出基準單元庫。然后利用EDA軟件，根據這些相應的限制自動布局布線。最后一個環節也就是版圖設計環節。就是在布局布線設計完成之后，結合基準單元生成具體版圖，然后通過驗證后，教給工廠代加工制造芯片。

2同步數字系統設計

在文章開始，筆者就提到同步設計法受到眾多設計人員的青睞。下面本文就將嚴格按照上文中提到過的幾種設計階段對同步設計法進行詳細的介紹：

2.1同步電路的優越性

之所以被稱之為同步系統就是因為觸發器的狀態是有統一始終控制的。各個存儲狀態的改變都是在時鐘的控制之下完成的。所以同步系統具有著多種好處。①同步電路保證各個存儲單元都有著相同的初始態，并且只有在時鐘沿到來之時，存儲單元的狀態才會發生轉變，這樣很大程度上就使得電路較為穩定，能夠避免溫度等對電路的影響。②能夠很容易實現流水線，對于提高芯片的效率等方面具有較大的好處。

2.2觸發器

觸發器是同步電路的基本單元，尤其指的是D觸發器。對于觸發器而言，最重要的特點就是只有當時鐘沿到來的時候，觸發器才會將存儲狀態轉變，也就是將數據端的數據保存起來。當時鐘沿不到達時，觸發器不會采取動作，這樣就是同步電路較為穩定的原因之一。觸發器在組成時，可以采用MOS管進行搭建，也可以采用簡單的邏輯器件進行構建。

2.3RTL級描述

由于數字電路需要具備的功能越來越多同時規模也變的越來越大，那么系統這一理念也變得越來越強大。使用Ver-ilogHDL可以對系統進行行為級以及RTL級描述。行為級描述就是為了確認系統是否可行、可靠，同時也會檢查算法是否正確。在進行RTL級設計的時候需要注意到描述的可綜合性以及測試驗證功能的完備性。描述的可綜合性詳細來說就是設計人員大多使用mod-elsim進行編譯仿真。這款軟件雖然簡單實用，但同時也具備著不容忽視的弱點，就是VerilogHDL的容錯性較強，不能區分出行為級描述以及RTL級描述。這就意味著設計人員的設計最終可能無法被綜合成硬件電路。為了解決這一問題。設計人員就需要多多關注指令都能夠被綜合成什么樣的電路，同時關注哪些指令不可被綜合。RTL級描述中，功能需要是完備的。這就比可綜合性困難的多。因為到目前為止并沒有能保證功能完備性的驗證體系。為了避免這個問題的出現。設計人員需要從以下的方面入手：①對于系統級規劃中模塊盡量按照其功能進行劃分，這樣就能夠在進行RTL級描述時嚴格按照規劃設計。②保持良好的編程習慣。③成立專人的測試部門，這樣既有測試人員又有著設計人員。在測試人員的把關之下，很多的問題以及漏洞就會被發現。

2.4利用DesignCompiler綜合優化

DC綜合這一過程是數字電子線路設計的前端。在這個綜合設計的過程中那個，DC需要進最大的努力進行優化，但是這之后可能依然有一些違例路徑的存在。這時候就需要人工返回RTL級，進行修改然后再綜合，不斷的循環。

2.5利用SOCEncounter布局布線

同步數字設計的后端就涵蓋了布局布線、時序驗證、后仿等多個環節。對比模擬電路，數字電路布局布線較為簡單尤其再利用一些軟件之后能夠大大的減輕人們的壓力、提高工作效率，節省時間。

3小結

本文對于數字電路設計方法之中的同步設計法進行了詳細的介紹，同時對于在設計過程中可能出現的問題以及解決方案都進行了論述，希望對于今后設計人員對數字電路的設計有所幫助。

參考文獻

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關鍵詞：工程需求；集成電路設計；實踐；驗證

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）44-0089-02

集成電路設計是學科交叉特性顯著的一個學科，且其發展日新月異，技術更新非常快，而其主要的更新點體現在工藝水平、設計思想和設計手段上。例如，在設計SOC等大規模集成電路時，設計者首先要全方位地把握系統的主體框架，另外還要注重各個環節中的細節，有效利用EDA軟件來精確地實現設計并驗證其正確性。目前大多數高校開設的集成電路設計課程融入了多媒體教學，但多媒體教學多局限于PPT課件教學，雖然在教學內容上與過去的板書教學相比得到了很大的擴充，但從教學體系上說對于工程化設計流程的介紹缺乏連貫性、完整性，各個知識點的介紹相對來說較為孤立，學生對所學知識的理解無法融會貫通，對工程化設計的理解停留在概念的層面上。目前課程安排中普遍采用理論教學為主，存在實踐環節過少、實踐環節不成完備體系等問題。學生工程實踐能力不能得到有效提升，用人單位需要花大量的時間和人力對應屆學生進行培訓；學生容易產生挫折情緒，不能快速適應崗位需求。本教改通過對目前國內急需集成電路設計人才的現狀的思考，對集成電路設計課程的教學進行改革，實施以工程需求為導向，以工程界典型數字集成電路設計和驗證流程為主線的閉環式教學。在國家急需系統級集成電路設計實用型工程人才的指導思想下，在工科院校要培養能為社會所用工程人才的辦學宗旨下，以開發學生潛力、提高學生自主學習積極性為目的，結合用人單位的用人需求，我院集成電路設計課程嘗試閉環教育，即課程的章節設置參照工程界數字集成電路系統的典型設計流程，知識內容涵蓋從設計到流片生產甚至測試的每一個環節，而每一個重要環節都有工程實驗與之相對應，形成完備的閉環知識體系。本教改項目閉環教育可分為理論教育環節和實驗教育環節。

一、理論教育環節

閉環教育中的理論教育以工程界大型數字集成電路設計的典型流程為教學切入點，然后以該流程為主線介紹各個階段涉及的理論知識和可供使用的EDA軟件，每次進入下一設計階段的講解前，都會重新鏈接至流程圖，見圖1所示。反復出現的設計流程圖，一方面可以加深學生對設計流程的印象；另一方面針對當前內容在流程中出現的位置，突出當前設計階段與系統設計的整體關聯，加強學生對各個設計階段的設計目的、設計方法、EDA軟件中參數設定偏重點的理解。這種教育方法區別于傳統的單純的由點及面的教育方法，避免出現只見樹木不見森林的情況，能夠在注重細節的同時加強整體觀念。

二、實踐教育環節

實踐教育環節主要是指與理論教育相配套結合的系列實驗。針對每個設計階段都安排相應的較為全面的實驗，與該階段的理論知識形成閉環。而且，所有的實驗基本可按照從系統設計開始到流片、測試的完整設計流程串接起來。

圖1 大型數字集成電路設計的典型流程

實驗指導書撰寫了前端設計內容，在數字集成電路系統初期的系統分析、功能模塊劃分、具體硬件語言描述編譯階段，加入以硬件語言描述、編譯、仿真為偏重的上機實驗，目的是學習良好的系統全局觀，掌握過硬的代碼編寫能力，并將設計下載至FPGA中作為初步的硬件設計驗證手段；撰寫了后端設計內容，采用Cadence公司的自動布局布線器SE進行布局布線，介紹面向數字化集成電路的標準化單元概念及其相關工藝庫文件的作用，著重講授從網表到版圖的轉化過程以及需要注意的問題，如電源網絡的合理布局、時鐘網絡的時序匹配及平衡扇出等方面的考慮。利用版圖編輯器Virtuoso Layout進行版圖驗證，介紹標準單元版圖與定制版圖的區別、版圖設計與工藝制程的關系，重點在于使學生在對版圖建立感性認識的同時對IP保護有更深層次的理解。Verilog仿真器進行版圖后仿真實驗，強調版圖寄生參數對系統功能、時序的影響，后仿真時序文件反標的含義；明確后仿真對于保證設計正確性的意義；培養認真負責的驗證思想。

實踐教育環節大致分為前端設計階段、后端設計階段、測試階段。

1.前端設計階段。在數字集成電路系統初期的系統分析、功能模塊劃分、具體硬件語言描述編譯階段，加入以硬件語言描述、編譯、仿真為偏重的上機實驗，目的是學習良好的系統全局觀，掌握過硬的代碼編寫能力，并將設計下載至FPGA中作為初步的硬件設計驗證手段。

2.后端設計階段。針對數字集成電路的特點，安排面向MPW流片的實驗，介紹將電路轉化為高可靠性版圖的主要步驟。該實驗分三個階段：①采用Cadence公司的自動布局布線器SE進行布局布線，介紹面向數字化集成電路的標準化單元概念及其相關工藝庫文件的作用，著重講授從網表到版圖的轉化過程以及需要注意的問題，如電源網絡的合理布局、時鐘網絡的時序匹配及平衡扇出等方面的考慮；②版圖編輯器Virtuoso Layout進行版圖驗證，介紹標準單元版圖與定制版圖的區別、版圖設計與工藝制程的關系，重點在于使學生在對版圖建立感性認識的同時對IP保護有更深層次的理解；③Verilog仿真器進行版圖后仿真實驗，強調版圖寄生參數對系統功能和時序的影響、后仿真時序文件反標的含義，明確后仿真對于保證設計正確性的意義，培養認真負責的驗證思想。

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關鍵詞：版圖設計；集成電路；教學與實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0153-02

目前，集成電路設計公司在招聘新版圖設計員工時，都希望找到已經具備一定工作經驗的，并且熟悉本行業規范的設計師。但是，IC設計這個行業圈并不大，招聘人才難覓，不得不從其他同行業挖人才或通過獵頭公司。企業不得不付出很高的薪資，設計師才會考慮跳槽，于是一些企業將招聘新員工目標轉向了應屆畢業生或在校生，以提供較低薪酬聘用員工或實習方式來培養適合本公司的版圖師。一些具備版圖設計知識的即將畢業學生就進入了IC設計行業。但是，企業通常在招聘時或是畢業生進入企業一段時間后發現，即使是懂點版圖知識的新員工，電路和工藝的知識差強人意，再就是行業術語與設計軟件使用不夠熟練、甚至不懂。這就要求我們在版圖教學時滲入電路與工藝等知識，使學生明確其中緊密關聯關系，樹立電路、工藝以及設計軟件為版圖設計服務的理念。

一、企業對IC版圖設計的要求分析

集成電路設計公司在招聘版圖設計員工時，除了對員工的個人素質和英語的應用能力等要求之外，大部分是考查專業應用的能力。一般都會對新員工做以下要求：熟悉半導體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝；熟悉集成電路（數字、模擬）設計，了解電路原理，設計關鍵點；熟悉Foundry廠提供的工藝參數、設計規則；掌握主流版圖設計和版圖驗證相關EDA工具；完成手工版圖設計和工藝驗證[1，2]。另外，公司希望合格的版圖設計人員除了懂得IC設計、版圖設計方面的專業知識，還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關知識[3]。正因為其需要掌握的知識面廣，而國內學校開設這方面專業比較晚，IC版圖設計工程師的人才缺口更為巨大，所以擁有一定工作經驗的設計工程師，就成為各設計公司和獵頭公司爭相角逐的人才[4，5]。

二、針對企業要求的版圖設計教學規劃

1.數字版圖設計。數字集成電路版圖設計是由自動布局布線工具結合版圖驗證工具實現的。自動布局布線工具加載準備好的由verilog程序經過DC綜合后的網表文件與Foundry提供的數字邏輯標準單元版圖庫文件和I/O的庫文件，它包括物理庫、時序庫、時序約束文件。在數字版圖設計時，一是熟練使用自動布局布線工具如Encounter、Astro等，鑒于很少有學校開設這門課程，可以推薦學生自學或是參加專業培訓。二是數字邏輯標準單元版圖庫的設計，可以由Foundry廠提供，也可由公司自定制標準單元版圖庫，因此對于初學者而言設計好標準單元版圖使其符合行業規范至關重要。

2.模擬版圖設計。在模擬集成電路設計中，無論是CMOS還是雙極型電路，主要目標并不是芯片的尺寸，而是優化電路的性能，匹配精度、速度和各種功能方面的問題。作為版圖設計者，更關心的是電路的性能，了解電壓和電流以及它們之間的相互關系，應當知道為什么差分對需要匹配，應當知道有關信號流、降低寄生參數、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎上去優化尺寸的，面積在某種程度上說仍然是一個問題，但不再是壓倒一切的問題。在模擬電路版圖設計中，性能比尺寸更重要。另外，模擬集成電路版圖設計師作為前端電路設計師的助手，經常需要與前端工程師交流，看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導線是否有大電流流過等，這就要求版圖設計師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。

3.逆向版圖設計。集成電路逆向設計其實就是芯片反向設計。它是通過對芯片內部電路的提取與分析、整理，實現對芯片技術原理、設計思路、工藝制造、結構機制等方面的深入洞悉。因此，對工藝了解的要求更高。反向設計流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗證、電路調整、版圖提取整理、版圖繪制驗證及后仿真等。設計公司對反向版圖設計的要求較高，版圖設計工作還涵蓋了電路提取與整理，這就要求版圖設計師不僅要深入了解工藝流程；而且還要熟悉模擬電路和數字標準單元電路工作原理。

三、教學實現

1.數字版圖。數字集成電路版圖在教學時，一是掌握自動布局布線工具的使用，還需要對UNIX或LINUX系統熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是數字邏輯單元版圖的設計，目前數字集成電路設計大都采用CMOS工藝，因此，必須深入學習CMOS工藝流程。在教學時，可以做個形象的PPT，空間立體感要強，使學生更容易理解CMOS工藝的層次、空間感。邏輯單元版圖具體教學方法應當采用上機操作并配備投影儀，教師一邊講解電路和繪制版圖，一邊講解軟件的操作、設計規則、畫版圖步驟、注意事項，學生跟著一步一步緊隨教師演示學習如何畫版圖，同時教師可適當調整教學速度，適時停下來檢查學生的學習情況，若有錯加以糾正。這樣，教師一個單元版圖講解完畢，學生亦完成一個單元版圖。亦步亦趨、步步跟隨，學生的注意力更容易集中，掌握速度更快。課堂講解完成后，安排學生實驗以鞏固所學。邏輯單元版圖教學內容安排應當采用目前常用的單元，并具有代表性、擴展性，使學生可以舉一反三，擴展到整個單元庫。具體單元內容安排如反相器、與非門/或非門、選擇器、異或門/同或門、D觸發器與SRAM等。在教授時一定要注意符合行業規范，比如單元的高度、寬度的確定要符合自動布局布線的要求；單元版圖一定要最小化，如異或門與觸發器等常使用傳輸門實現，繪制版圖時注意晶體管源漏區的合并；大尺寸晶體管的串并聯安排合理等。

2.模擬版圖。模擬集成電路版圖設計更注重電路的性能實現，經常需要與前端電路設計工程師交流。因此，版圖教學時教師須要求學生掌握模擬集成電路的基本原理，學生能識CMOS模擬電路，與前端電路工程師交流無障礙。同時也要求學生掌握工藝對模擬版圖的影響，熟練運用模擬版圖的晶體管匹配、保護環、Dummy晶體管等關鍵技術。在教學方法上，依然采用數字集成電路版圖的教學過程，實現教與學的同步。在內容安排上，一是以運算放大器為例，深入講解差分對管、電流鏡、電容的匹配機理，版圖匹配時結構采用一維還是二維，具體是如何布局的，以及保護環與dummy管版圖繪制技術。二是以帶隙基準電壓源為例，深入講解N阱CMOS工藝下雙極晶體管PNP與電阻匹配的版圖繪制技術。在教學時需注意晶體管與電阻并聯拆分的合理性、電阻與電容的類型與計算方法以及布線的規范性。

3.逆向版圖設計。逆向集成電路版圖設計需要學生掌握數字標準單元的命名規范、所有標準單元電路結構、常用模擬電路的結構以及芯片的工藝，要求學生熟悉模擬和數字集成單元電路。這樣才可以在逆向提取電路與版圖時，做到準確無誤。教學方法同樣還是采用數字集成電路版圖教學流程，達到學以致用。教學內容當以一個既含數字電路又含模擬電路的芯片為例。為了提取數字單元電路，需講解foundry提供的標準單元庫里的單元電路與命名規范。在提取單元電路教學時，說明數字電路需要歸并同類圖形，例如與非門、或非門、觸發器等，同樣的圖形不要分析多次。強調學生注意電路的共性、版圖布局與布線的規律性，做到熟能生巧。模擬電路的提取與版圖繪制教學要求學生掌握模擬集成電路常用電路結構與工作原理，因為逆向設計軟件提出的元器件符號應該按照易于理解的電路整理，使其他人員也能看出你提取電路的功能，做到準確通用規范性。

集成電路版圖設計教學應面向企業，按照企業對設計工程師的要求來安排教學，做到教學與實踐的緊密結合。從教學開始就向學生灌輸IC行業知識，定位準確，學生明確自己應該掌握哪些相關知識。本文從集成電路數字版圖、模擬版圖和逆向設計版圖這三個方面就如何開展教學可以滿足企業對版圖工程師的要求展開探討，安排教學有針對性。在教學方法與內容上做了分析探討，力求讓學生在畢業后可以順利進入IC行業做出努力。

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作者簡介

鄭天翼 男，1983年出生，福建福州人，碩士研究生。主要從事數字信號處理與集成電路設計的研究。

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關鍵詞：模擬集成電路；自適應加權；多目標優化；Pareto最優前沿

中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）10-00-02

0 引 言

一直以來，人們都想實現模擬集成電路設計的自動化，但考慮到模擬集成電路性能指標多，各性能指標間互相影響等因素，使得模擬集成電路的自動化進程遠遠落后于數字集成電路，模擬集成電路已經成為制約集成電路發展的瓶頸。隨著技術的發展，片上系統將模擬集成電路與數字集成電路整合到一塊芯片上。但人們對模擬集成電路的自動化研究卻從未中斷過，同時也取得了一些成果，其中基于優化的設計方法因適用范圍廣而受到了人們的青睞。

基于優化的設計方法將模擬集成電路的設計看作是多目標優化問題，電路設計時的性能指標如增益、帶寬、相位裕度等就是多目標優化的目標函數。通過多目標優化算法求解出電路目標空間的Pareto前沿，該前沿就是電路各種性能指標折衷后的最優前沿，允許電路設計者從一組相互沖突的設計指標中做出最佳選擇。

基于優化的設計方法的核心是多目標優化算法，解決多目標優化問題的常用算法是加權和算法[1]，該算法容易理解、操作簡單，但是該算法不能求出Pareto前沿上位于凹區間內的解，而當權值均勻分布時，Pareto前沿上凸區間內的解分布不均勻[2]。本文采用了自適應加權和算法，該算法在加權和算法的基礎上改進而來，克服了加權和算法的上述缺點。

1 自適應加權和算法原理

自適應加權和算法[3]的權值系數沒有預先確定，而是通過所要求解問題的Pareto前沿曲線獲得。首先用傳統加權和算法產生一組起始解，然后在目標空間確定需要細化的區域。將待細化區域看作可行域并且對該區域施加不等式約束條件，最后用傳統加權和方法對這些需要細化的子區域進行優化。當Pareto前沿上的所有子區域長度達到預定值時，優化工作完成。

圖1所示的自適應加權算法與傳統加權和算法進行了對比，說明了自適應加權和算法的基本概念。真正的Pareto前沿用實線表示，通過多目標優化算法獲得的解用黑圓點表示。在該例中，整個Pareto前沿由相對平坦的凸區域和明顯凹的區域組成。解決這類問題的典型方法就是加權和算法，該算法可以描述成如下形式：

上式中描述的是兩個優化目標的情形，J1（x）和J2（x）分別為兩個目標函數，sf1，0（x）和sf2，0（x）分別為對應的歸一化因子，h（x）和g（x）分別為等式約束條件和不等式約束條件。

圖1（a）為采用加權和算法后解的分布，可以看出大部分解都分布在anchor points和inflection point，凹區間內沒有求出解。該圖反映了加權和算法的兩個典型缺點：

（1）解在Pareto前沿曲線上分布不均勻；

（2）在Pareto前沿曲線為凹區間的部分不能求出解。

因此盡管加權和算法具有簡單、易操作的優點，但上述缺點卻限制了其應用，這些固有缺陷在實際多目標優化設計問題中頻繁出現。圖1描述了本文所提出的自適應加權和算法的總體流程以及基本概念。首先根據加權和算法得到一組起始解，如圖1（a）所示，通過計算目標前沿空間上相鄰解的距離來確定需要進行細化的區域，如圖1（b）所示，該圖中確定了兩個需要進行細化的區域。在確定需要進行細化的區域分別在平行于兩個目標方向上添加額外的約束，如圖1（c）所示，在該圖中向減小方向J1添加的約束為1，J2減小方向添加的約束為2。對細化后添加完約束的區域用加權和算法優化，得出新解，如圖1（d）所示，其中加權和算法求解最優解時采用Matlab中的fmincon函數。從該圖中可看出，細化區域內產生了新解，Pareto前沿上解的分布較之前更加均勻，且求出了凹區域內的解，繼續細化能夠找出更多的解，Pareto前沿上的解也將分布地更加均勻。自適應加權和算法的流程圖如圖2所示。

2 兩級運放設計實例

以一個帶米勒補償的兩級運放[4]為例，說明自適應加權和算法的多目標優化設計。兩級運放電路圖如圖3所示。

電路的各項性能指標如表1所列。

電路優化過程中采用工作點驅動[5，6]的設計方法，電路的設計變量為電路直流工作點上一組獨立的電壓、電流。電路性能通過方程獲得，但方程中的小信號參數通過對工藝庫進行模糊邏輯建模[7，8]得到，使得計算速度提高的同時保證了計算精度。兩級運放電路的優化結果如圖4所示。

圖為算法迭代五代后的優化結果，由圖可以發現，經過五代的優化迭代，求出的最優解在Pareto前沿上分布均勻。在同一電路中，單位增益帶寬的增加與擺率的增加都會使功耗增加，而電路功耗降低導致的結果是電路的面積增加，或通過犧牲面積來換取低功耗，犧牲面積換取電路的帶寬增加。這些結果與電路理論相吻合，同時也再次說明了模擬電路設計過程中的折衷以及模擬集成電路設計的復雜性。

3 結 語

自適應加權和算法能求出位于凹區間內的最優解，并且最優解分布均勻。本文通過兩級運放電路驗證了算法的優化效果，最終得到了滿意的優化結果。

參考文獻

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【關鍵詞】集成電路設計大賽；創新；教育

IC Design Contest and Developing Innovative Ability

WANG Jinhui HOU Ligang GENG Shuqin YUAN Ying LI Jianjun

Beijing University of Technology

College of Electronic Information and Control Engineering，100124，China

Abstract：Innovation is the soul of a nation's progress and is an inexhaustible force for flourishing nation.IC design contest has four important functions in the university education.They are，respectively，IC design contest enable student to self-learn，innovate，and practise；IC design contest makes potential talents in technological innovation to be discovered and developed；IC design contest broadens employment areas for students；IC design contest improves the quality of university teaching.

Keyword：IC design contest；Innovation；Education

2011年9月18日，由北京電子協會主辦的北京集成電路設計大賽如期舉行，來自首都及天津地區高等院校微電子專業的200名大學生和研究生進行了筆試、電路設計和版圖設計等競賽單元的激烈角逐，爭奪最終的各項大獎。本次集成電路設計大賽是面向大學生和研究生的專業性科技活動，是考察學生集成電路專業理論知識和解決實際問題能力的比賽，調動了廣大學生學習集成電路學科專業知識的積極性。集成電路設計大賽有利于促進學科的建設和發展，提高高校教學質量；促進學生綜合素質的提高和高校培養質量的提高；有利于增加學校的知名度；有利于增強學習氛圍，促進良好學風；但是，從根本上講，此次大賽引導和帶動了創新人才的培養，開辟了創新人才培養的新路徑。

同志在全國科學技術大會上指出：“創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。”建設高水平的高等教育人才培養體系，其關鍵和核心問題是培養和造就在各個專業中具有創新精神、創新能力和創新人格并最終能夠取得創新成果的創新型人才。我國歷史悠久，傳統教育模式如今仍根深蒂固，即使在高等教育中也一直存在著重繼承輕創新、重知識輕能力和重理論輕實踐的教育觀。只強調課本知識的課堂傳授，忽視實驗實踐教學活動。由于這種教育理念的影響，教師會填鴨式的教學，只注重學生考試成績的好壞，培養出來的學生創新思維和動手能力較差、繼續學習能力欠缺，達不到書本知識和實踐經驗相結合的要求，滿足不了當今高速發展的經濟社會對新時期大學生和研究生的需求。面對此種窘境，學生開始渴望有機會參加理論學習之外的實踐學習，渴望進行創新學習、創新研究和創新活動，尤其和工業實際聯系比較緊密的集成電路專業，學生對這方面的需求更加強烈，集成電路設計大賽有著常規教學所不及的培養功能，參賽的各個高校的指導教師已基本形成共識，即集成電路設計大賽在高校集成電路創新人才培養中的引領作用不可替代。大賽在人才培養中的重要作用主要體現在以下幾個方面：

第一，集成電路設計大賽提高了學生自學能力、實踐能力和創新能力。學好基本理論和掌握專業技能，為將來的職業發展打下堅實基礎，是大學生和研究生在高校中的主要任務。但是填鴨式的教學使許多學生只能處于被動選擇、被動接受和被動學習的地位。其習得的理論和技能與實踐脫節，這大大影響到學生學習的積極性和主動性。非常不利于學生的個性、潛能和興趣的發揮。集成電路設計大賽把課堂教學延伸到實際工作之中，這樣，學生可以根據自己的特長和愛好，經過閱讀、討論和實踐等環節，優化知識結構，增強學生對創新活動的濃厚興趣。大賽題目符合集成電路專業教學的基本要求，重視知識點和系統性相結合，強調提高學生的動手能力。因此，通過大賽不僅可以培養學生查閱文獻的能力、自主學習的能力、解決問題的能力、綜合分析能力、科技論文寫作能力，還可以培養學生的創新思維，以及理論聯系實際和團結協作的精神。很多學生由于參與大賽，懂得了團結合作、共同進步、取長補短的重要性，所以大賽也培養了學生的人格。

第二，通過集成電路設計大賽，發掘了大批在科技創新方面有潛力的優秀大學生和研究生。大賽以當今快速發展的集成電路產業為背景，對學生在實際動手能力、策劃能力、協調組織能力等方面提出了更高的要求。所以，大賽極大的激發了學生求知欲和創造欲，為學生提供了一個施展才能的空間和科學實踐的舞臺。大賽既考驗了廣大學生是否具有堅定的信念、頑強的意志、敢于迎難而上和團結協作的精神等優秀素質，也檢驗了它們的創新思維、創新能力、創新意識、創新精神。可以說，大賽對學生專業素質的培養、意志的磨煉是課本上沒有的，是課堂教學所遠不能及的。因而通過此次集成電路設計大賽，大批大學生和研究生的精英脫穎而出，并被廣泛關注。

第三，集成電路設計大賽為學生就業拓寬了渠道。大賽為優秀人才的脫穎而出提供了專門舞臺。通過集成電路設計大賽，能夠發現和培養一批在科技創新方面有作為、有潛力的優秀人才，這樣一方面學生以大賽成績作為自己就業能力的證明，增加就業的籌碼；另一方面，企業可以通過大賽選拔人才，組委會和高校也可以通過大賽吸引知名企業前來觀摩，從而推薦大賽成績優異者，這也為高校部分解決了就業問題。在大賽的研討會上，很多公司的代表都表示，非常愿意吸收獲得優異成績的參賽者，進入企業的研發一線，所以集成電路設計大賽達到了企業、學生和高校的三贏，但收獲最大的還是學生本身。

第四，集成電路設計大賽具有促進高校學風建設、學科和專業建設，提高教學質量的功能。高校學風是大學生和研究生在求知目的、治學態度、認識方法等方面長期形成的具有一定穩定性和持續性的精神傾向、心理特征的綜合外在表現形式。集成電路設計大賽要求學生具有扎實的基本功，實事求是的態度，學生為了適應大賽的要求在大賽準備階段必須刻苦努力，腳踏實地，自然學風大為改善。在高校，以何為基點科學地制定學科發展規劃，是學科建設的核心問題，集成電路設計大賽能夠有效地檢驗基點適當與否，起到了晴雨表和校正儀的作用。大賽的成績能有效地反映學校的辦學水平、人才培養目標、人才培養特色、人才培養質量，以及專業建設、課程體系建設、教學方法、教學手段等內容。大賽的功效之一，就在于它能夠發現人才培養環節中的問題和不足，從而促使我們調整學科布局、完善學科組織、加強學科隊伍、建設學科基地、建立學科制度、營造學科環境等。

總之，對學生進行創新能力的培養是當今建設高水平大學的核心任務之一，刻不容緩，而又任重而道遠。組織引導學生參加集成電路設計大賽，無疑是一條極佳的實現途徑。而高校要做的工作是把日常教學、實踐環節、學科建設、人才培養、甚至學生就業等與集成電路設計大賽進行有機結合，逐步實現以大賽為依托、培養學生實踐創新能力的目標。

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關鍵詞：本科教育；微電子；課程體系；結構優化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0033-03

一、引言

微電子技術是隨著集成電路，尤其是超大型規模集成電路而發展起來的一門新的技術。微電子技術包括系統電路設計、器件物理、工藝技術、材料制備、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門的技術，是高科技和信息產業的核心技術。微電子產業是基礎性產業，對國民經濟有著巨大貢獻，并滲透到其他很多學科，是發展現代高新技術和國民經濟現代化的重要基礎。作為電子通信類高校，南京郵電大學建校近50年來，正朝著信息科技類大學進軍。隨著電子、通信和信息等產業的飛速發展，國內外都需要大量的微電子學人才，我校成立微電子學專業，旨在為我國的ASIC設計方面，培養急需的人才[1-6]。我國“十五”計劃綱要明確提出大力發展半導體集成電路產業，為了滿足社會的發展和需求，我校微電子專業成立于2001年，并于2007年招收第一批本科生。在學校各級領導的重視和關心下，專業建設取得了飛速發展。本科人才培養方案是各專業人才培養目標、培養規格以及培養過程和方式的總體設計，是學校組織本科教學、規范教學環節、實現人才培養目標的綱領性文件，對人才培養質量具有決定性的影響。當今的高校教育不僅需要培養大量理論基礎較扎實、具有開拓創新精神的專業型人才，也更需要培養大量工程應用型人才。所謂“應用型人才”主要是指德、智、體、美等方面全面發展的，能夠將專業知識和技能應用于所從事的專業社會實踐的高級專門人才。“應用型人才培養模式是以能力為中心，以培養技術應用型專門人才為目標的”。它更加注重的是實踐性、應用性和技術性。即基礎知識比高職高專學生深厚、實踐能力比傳統本科生強，是本科應用型人才最本質的特征。本科應用型人才培養模式是根據社會、經濟和科技發展的需要，在一定的教育思想指導下，人才培養目標、制度、過程等要素特定的多樣化組合方式。

二、深化完善本科教學體系改革的措施探討

人才培養方案制（修）訂工作對于學校實現人才培養目標、進一步深化完善本科教學體系改革具有重要意義，人才培養方案制（修）訂需要全面貫徹國家中長期教育改革和發展規劃綱要，認真落實教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見等文件要求，不斷適應國家和社會發展需要，進一步深化教育教學改革，優化人才培養過程，提高人才培養質量，促進學生全面發展。具體的改革措施探討如下。

1.進一步明確本專業的特點和優勢。培養方案是高等學校實現人才培養目標、開展人才培養工作的總體設計和實施方案，為全面貫徹教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見，以執行最新頒布的普通高等學校本科專業設置管理規定為契機，推動我校新一輪專業建設和教學改革，以不斷適應知識經濟、科技、社會發展對各類高素質創新人才的需要，根據我校教育教學改革的實際，及時總結人才培養經驗，以“本科教學工程”建設工作為抓手，積極參與教育部“卓越工程師教育培養計劃”及“工程教育專業認證”，進一步更新教育觀念，深化教育教學改革，提高本科教育質量，構建和完善適合我校辦學指導思想、具有我校辦學特色的本科創新人才培養體系，根據新《目錄》規定的各專業培養目標、培養要求、主干學科、核心課程、主要實踐性教學環節、主要專業實驗，緊密結合近年“本科教學工程”改革實踐，開展本科專業培養方案的修訂。本專業培養適應社會發展需要，道德文化素養高，社會責任感強，身心健康，掌握扎實的自然科學基礎知識和必備的專業知識，具有良好的學習能力、實踐能力、專業能力和創新意識，能在微電子器件、工藝和集成電路設計及相關的電子信息科學領域從事科學研究、產品研發、工程設計、技術管理等工作的專門技術人才。主要專業方向為微電子器件、工藝和集成電路設計。注重集成電路設計、集成電路版圖設計、微電子器件設計和MEMS設計。

2.課程設置進一步優化。課程的設置是否合理對人才的培養起到了至關重要的作用，尤其是現今提出的對專業人才的更高要求，需要進一步優化課程體系，合理安排課程內容。首先，在課程設置方面，當前，南郵本科微電子專業經過幾年的發展，取得了不少成績。但世界范圍內微電子產業飛速發展的特點決定了高校微電子學科的教學必須緊緊跟隨產業發展的步伐。我們在看到以前所取得的成績的同時也必須看到其中所存在的一些問題，并積極進行改革創新。我校的微電子專業在設立初期，經過各方專家的反復討論和論證，建立了一套統一的專業課程和教學大綱。這套課程滿足該專業最基本的專業要求。但由于微電子專業設立時間不長，仍屬于起步階段，由于硬件條件和師資力量的缺乏和不到位，無法設立多樣的課程體系和科目，所以目前的教學仍然是基本上按統一的教學大綱和教學要求組織。隨著學校辦學規模的擴大，通達微電子學院的設立，選修微電子專業課程的學生人數不斷增加，原有的教學課程體系和科目還需要進一步細化、深化、推廣。為此，在課程設置上，我們必須對已經投入使用的培養方案進行分析和總結、不斷地進行修訂和完善，將整個學科的課程結構體系、到具體到每一門課程的知識體系，都進行優化設計，以期在最短的學時內使學生掌握牢固的知識。最終使學生獲得以下幾方面的能力：掌握扎實的數學、物理等方面的基本理論和基本知識；系統掌握量子與固體物理、半導體物理與器件物理、半導體集成電路設計和制造的基本知識，具有獨立進行微電子器件、工藝和集成電路設計的基本能力；了解電子信息類專業的一般原理和知識，受到科學實驗與科學思維的訓練，具有本學科與跨學科的科學研究與技術開發的基本能力；在綜合類實踐、實驗中具有較強的獨立設計、分析和調試系統的能力，能夠完成綜合性和探索性工作的能力；養成良好的學習習慣，對終身學習有正確認識，具有不斷學習和適應發展的能力；其次，對于理論課程的內容，針對南京郵電大學的學科特點和電子科學與工程學院的實際情況，以及本專業的特色建設，主要專業方向為微電子器件、工藝和集成電路設計。注重集成電路設計、集成電路版圖設計、微電子器件設計和MEMS設計。以能力培養為基礎來設計，并考慮學生畢業后從事的職業，根據工作的要求對教學中的課程進行專項的能力和綜合能力培養。在通識教育類課程中設置了高等數學、大學物理、物理實驗、程序設計等。專業教育類課程中設置了信號與系統、數字電路與邏輯設計、模擬電子技術及電工電子實驗等。這些是所有涉及到電類專業的學生都必須學習的課程。在微電子專業的專業課中安排了固體物理、半導體物理、半導體集成電路工藝、半導體器件物理、通信原理，這些課程都是基礎理論課程，是為微電子專業的學生打下基本的專業基礎。考慮到工程認證的需要，在集成電路與CAD的課程設置上，專門增加了16小時的實驗，加強學生的實驗和操作技能。在集成電路分析與設計的課程設置中，專門將模擬和數字分開，設置了各48小時的模擬集成電路分析與設計、數字集成電路分析與設計，這不同于其他院校的課程設置，應該也算是我專業的一個特色和優勢。使學生掌握初步的集成電路設計知識，加強了學生的集成電路分析和設計的能力。除了已經設置的32小時的VLSI設計實驗課和32小時的微電子專業實驗，還增加了32小時的工藝實驗，這也大大加強了實驗和上機比例。具體來講，已經在建設的ASIC設計實驗室的基礎上開展了ASIC設計實驗課程的教學，并籌備建立了微電子專業實驗室，擁有了一批工作站、計算機等硬件資源和ISE、MAXPlus II、Synopsys Cadence等軟件資源、學會一到兩種EDA工具的使用方法。建設微電子器件和半導體物理專業實驗課程，在廣泛調研的基礎上購置了必要的儀器設備、編寫了實驗教程、開展了半導體材料實驗和晶體管測試實驗；基于以上措施，建立一整套完備的、覆蓋微電子產業前端和后端工序的微電子實驗課程體系。開展了器件和工藝設計實驗。掌握一定微電子實驗能力是微電子專業本科生應當具備的基本素質。在微電子專業的專業選修課中設置了VLSI版圖設計基礎、片上系統設計、微電子器件設計、MEMS與微系統設計、新型微電子器件、通信集成電路等多門課程，涵蓋了微電子方向的器件設計、電路設計、工藝設計等各個方面。更好地體現了應用型人才的培養方向和目標。再者，實踐課程的內容上，由于微電子專業是一個實踐性較強、實踐內容多的專業，從集成電路的生成流程來看，其實踐內容包括系統和電路設計、器件設計、工藝設計、版圖設計、實際流片和測試。實踐課程的設置對培養學生解決問題能力、判斷能力和創新能力極為關鍵；需要工程認證的專業的實驗實踐課程必須要達到30%以上。因此，還擬通過建立微電子專業實驗室，開設微電子和半導體測試實驗課，在培養學生理論知識的同時，加強實踐能力的培養，培養既有較深理論基礎，又有一定動手能力的全面發展的學生。在實踐型環節的課程設置中，通識基礎課和學科基礎課中安排了電類學科所必須的程序設計、電裝實習、電子電路課程設計等。在專業基礎課和專業課中，設置了軟件設計、微電子課程設計等，尤其是微電子課程設計，將進行較大的改革，要求改革后設計內容都是與本專業緊密相關，全面運用到所學的專業知識。

3.師資隊伍的建設。本專業現在擁有專業教師14名，完全滿足本科的專業教學需要，但從事集成電路設計方向的老師比較缺乏。還有，學生的個性不同，使學生在學習的興趣、主動性等方面差異很大；隨著社會競爭的日益激烈和社會需求的不斷變化，又使學生的未來發展面臨很大挑戰，學生的需求隨之呈現多樣化。因此，多元化的培養規格應當成為共識。將學生的具體情況和社會需求相結合，這就要求我們必須打破現有的統一模式，根據學生的實際和社會需求建立多樣化的課程體系，實施分類教學，在保證打好扎實的專業基礎的前提下，設立盡可能多的適應當今社會發展的方向性課程。建立既具有深厚扎實的理論知識功底，又具有精通實踐、有很強的動手操作能力和解決生產實際問題能力的教師隊伍迫在眉睫。近幾年，我學院在引進高水平的師資力量方面進行了不懈的努力，微電子專業教師的隊伍在不斷擴大，教師的專業方向也在不斷豐富，能夠勝任并有選擇性地擔任各主要方向的專業課教學。但仍然缺乏學科帶頭人，缺乏一個凝聚人心的事業平臺，學術梯隊。這就要加速建設學科帶頭人、重點骨干教師和優秀青年教師4個層次的學術梯隊。通過培養和引進，形成一批整體素質高、學術實力強、結構合理、具有團結協作精神的學術梯隊，使其在學科建設中發揮突出作用。鼓勵教師積極申報各類項目，積累一定的設計、實驗和操作經驗。鼓勵教師與公司、研究所合作，鼓勵教師到國內外高校去做訪問學者，積極參加國內外舉辦的國際會議，從而了解專業的最新發展、前沿問題，開闊眼界。

三、小結

總的來說，微電子學是發展現代高新技術和國民經濟現代化的重要基礎。培養方案是高等學校實現人才培養目標、根據我校教育教學改革的實際，及時總結人才培養經驗，以“本科教學工程”建設工作為抓手，積極參與教育部“卓越工程師教育培養計劃”及“工程教育專業認證”，進一步更新教育觀念，深化教育教學改革，提高本科教育質量，迫在眉睫。其中需明確我校的特點和優勢，以通信集成電路設計為主要方向，同時兼顧工藝設計與器件設計。相信通過培養方案、課程設置、師資等各方面的建設，一定會培養出高質量的微電子學領域人才，為我國的微電子工業做出貢獻。

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