“模擬集成電路”課程實驗教學改革與實踐

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，還需要相應的實驗環(huán)節(jié)。目前課程的實驗環(huán)節(jié)存在實驗題目和內容與教學環(huán)節(jié)結合不緊密、與工程實踐結合不緊密的問題，學生很難掌握電路及版圖設計方法，因此很難取得較好的教學效果。對“模擬集成電路”課程實驗教學進行改革，以工程應用實踐中應該掌握的全部技能為目標，采用項目化的實驗教學方式，并在實驗流程的多個步驟設置明確的考核內容。實踐檢驗表明，該實驗教學改革取得了良好的成效。

[關鍵詞] 模擬集成電路;工程應用;實驗教學;改革;實踐

[基金項目] 2019年度教育部產學合作協(xié)同育人項目“模擬集成電路的工程實踐教學改革”（201902024012）;2020年度重慶大學教改項目“基于CCIO模式的模擬集成電路設計課程研究與實踐”（2020027）

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

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）12-0067-04 [收稿日期] 2021-07-14

隨著信息技術的發(fā)展，集成電路成為信息產業(yè)的基礎，特別是近兩年國際形勢發(fā)生了重大變化，集成電路技術已經成為制約我國經濟和社會發(fā)展的“卡脖子”工程。近年來，國家和地方對集成電路產業(yè)高度重視，2014年，國務院印發(fā)《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》，強調集成電路發(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計流程、模擬集成電路基本單元、集成電路系統(tǒng)設計方法，以及使用EDA工具實現(xiàn)電路設計的基礎知識，是一門理論與實踐相結合的集成電路設計入門課程[4-8]。課程主要使學生學習掌握系統(tǒng)的集成電路知識和使用EDA工具進行電路分析與設計的能力。該課程的講授不僅需要扎實的理論基礎，還需相應的實驗環(huán)節(jié)，才能取得良好的教學效果?！澳M集成電路”課程的實驗教學具有其獨特性[9-14]，主要體現(xiàn)為實驗內容全部在EDA環(huán)境下完成;EDA工具安裝在Linux或UNIX系統(tǒng)下;集成電路設計相關的EDA工具使用比較困難，并且價格昂貴;每個實驗內容各不相同，但實驗的流程基本相同。

目前在“模擬集成電路”課程的實驗環(huán)節(jié)，由于實驗題目和內容與教學環(huán)節(jié)結合不緊密、與工程實踐結合不緊密，學生很難掌握設計方法，尤其是版圖設計，往往很難取得較好的教學效果。

一、改革具體措施

通過改革“模擬集成電路”課程實驗環(huán)節(jié)的教學模式，采用項目化的實驗教學方式，使學生掌握具有工程實踐的集成電路分析與設計的方法，解決目前高校集成電路設計實驗教學內容與社會工程實踐脫節(jié)的問題，使學生在畢業(yè)時具備一定的實際動手能力，進入社會后能盡快走向工作崗位，避免目前“學用分離”的現(xiàn)象。

（一）突出實踐，理論配合

傳統(tǒng)“模擬集成電路”課程實驗教學環(huán)節(jié)以理論教育為主，學生對基礎理論和設計規(guī)則非常熟悉，但實踐動手能力不足，往往在畢業(yè)后進入集成電路設計企業(yè)還需花大量時間進行二次設計能力培訓，造成了人力資源的嚴重浪費。這是由于教師沒有清晰認識“模擬集成電路”課程的性質，講授還是采取傳統(tǒng)的“老師講、學生聽”的教學方式，偏重理論，缺乏實驗實踐環(huán)節(jié)，影響了學生實際設計電路的能力。

“模擬集成電路”課程是一門承接系統(tǒng)、電路、EDA技術、工藝的綜合性課程，如果按照傳統(tǒng)教育方式進行授課，課程的實踐性和綜合性無法得到體現(xiàn)，違背了課程自身固有的規(guī)律，教學效果不能滿足產業(yè)界對模擬集成電路工程實踐的要求。在反思了課程的本質特點后，采取了實踐優(yōu)先，理論配合的教學方法，具體內容如下：根據(jù)邏輯與電路功能性的要求設計電路，按照一定的工藝水平要求設計用于光刻的掩膜圖形，并實現(xiàn)芯片的最終設計輸出。

教師首先講授設計工具EDA軟件的使用，讓學生掌握EDA軟件的每一個主要功能，從圖形的選擇到材料的配置，讓學生從感性角度理解實際的電路和版圖設計是如何進行的、每一步是如何使用EDA軟件完成的、整個芯片版圖設計過程的規(guī)則有哪些。學生在這個時候設計的版圖可能不很準確和完善，但是，學生對什么是版圖和如何設計版圖有了一個初步的認識，建立起版圖設計的基本概念，并為后續(xù)的課程奠定堅實的實踐基礎。此時，教師再詳細進行版圖設計理論知識的講授，學生能更深刻地理解相應的工藝知識和半導體理論，真正實現(xiàn)了理論和實踐完美結合的教育理念，有利于學生能力的培養(yǎng)。

（二）注重細節(jié)，加強引導

在傳統(tǒng)“模擬集成電路”課程教學方式中，理論講授占據(jù)大部分時間，學生知道電阻、電容、二極管、晶體管、場效應管等基本元器件的結構和工作原理，但是在設計的實際過程中，對于為什么采用這些元器件的電路形式，學生并不理解。針對學生的疑惑，教師從工藝細節(jié)入手解決這個問題。作為集成電路設計者，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。版圖設計的規(guī)則是由工藝決定的，掌握了工藝也就掌握了版圖設計的鑰匙。我們將工藝文件的通用技術規(guī)則向學生進行逐條講解，由通用元器件的設計規(guī)則歸納出它們的共性，包括最小長度、寬度、間距等參數(shù)，提醒學生記憶。通過對比學習和研究不同芯片生產廠商的工藝，學生在學習這一系列設計規(guī)則的過程中，逐漸理解并熟悉了工藝規(guī)則文件的構成方式及學習要點，能夠在不同工藝規(guī)則下舉一反三，設計同一種元器件的版圖，即使電路元器件的數(shù)量巨大、電路拓撲關系復雜，在教師耐心的講解下，學生也能夠依據(jù)工藝規(guī)則設計出符合要求的版圖，這都是在理解了工藝規(guī)則細節(jié)的基礎上完成的。因此，關注細節(jié)，加強引導，是提高學生學習效果的一個重要方法。

（三）過程檢查，結果考核

一個工程實踐中全定制集成電路典型設計流程（如圖1所示）包括邏輯電路、晶體管級電路、版圖設計等幾個主要環(huán)節(jié)，具體包括原理圖設計及仿真、版圖設計及后仿真。具體包含晶體管級電路設計、設計規(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。

對于剛接觸集成電路設計的本科生來講，這些步驟的操作具有一定的難度，實驗教學過程中要確保實驗教學的質量，必須建立明確的目標和考核內容。因此，把這些實驗整體流程分別展開，分解為一個個獨立的實驗流程步驟。最終得到一個直線型的集成電路設計實驗流程，同時每一步實驗流程有相應的考核內容（見圖2）。

教師根據(jù)學生上傳到服務器的不同設計環(huán)節(jié)打分，并且就每個項目的分數(shù)生成詳細的報告，以便對學生的成績進行評審。通過查閱報告，學生可以了解課程學習的不足和每一環(huán)節(jié)的實驗得分，為下次提高設計成績提供很好的參考。

在“模擬集成電路”課程中，將實驗流程應用于多個實驗方法，符合集成電路原理與設計課程的特點。這種多次重復的實驗教學方式能夠使學生對Linux或UNIX操作系統(tǒng)熟悉，學生在掌握了這種設計方法和過程后，可以獨立設計集成電路。

（四）比賽練兵，實戰(zhàn)演練

由于目前集成電路流片加工的費用很高，動輒好幾萬元，本科生在集成電路設計實驗教學中設計流程的流片這一步驟無法實現(xiàn)，但同時又要使學生的實驗訓練符合工程實際的要求，因此，采取接近實戰(zhàn)化的實驗顯得非常重要。在實驗教學過程中，我們基于中電24所的0.18μm的CMOS工藝和0.35μm的JFET-雙極型工藝進行設計，學生設計的電路在條件允許的情況下完成流片后就是可用的芯片。這種基于實際工藝的設計縮小了設計和工藝之間的距離。

具體方法：根據(jù)知識點，將模擬電路分成幾類，并從每一類中提取出多種經典的電路，利用中國電子科技集團公司第24研究所的代工工藝，經驗豐富的工程師們設計出對應電路的版圖，作為電路模塊單元放在服務器上供學生參考。在學生充分了解電路模塊庫單元的電路實例基礎上，將一些實用的電路設計布置給學生，要求學生在規(guī)定的時間內設計出合格的版圖，以此作為最終的考核評估。學生在學習課程期間，可以接觸到不同芯片代工工藝、多種類不同結構的電路，這極大地激發(fā)了他們的學習熱情和時間感。

學生在設計過程中會遇到多種問題，他們會采取多種方式和手段加以解決，如向教師詢問、和同學討論等，這既可以督促學生在課堂上認真聽講，而且多角度思考遇到的問題。最重要的是他們親自動手設計電路時，綜合考慮工藝、電路、器件等因素，在較短的時間內，集成電路設計能力將得到極大提高。除了在日常的實驗實踐環(huán)節(jié)中進行集成電路項目設計之外，學生還積極參加集成電路專業(yè)的相關比賽，通過比賽體會一些具有挑戰(zhàn)性的集成電路項目設計，提高學生在實際場景下的設計能力和項目組織能力，為他們未來進入職場從事集成電路設計工作奠定堅實的專業(yè)能力和實際問題解決能力的基礎。

二、改革成效

通過“模擬集成電路”課程實驗方法改革，學生的集成電路分析與設計能力、集成電路制造與工藝，甚至于微電子技術相關的科目課程成績得到了提高，在各類競賽、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。扎實的集成電路分析與設計專業(yè)基本功，使多個學生順利通過筆試和面試，進入了清華大學、北京大學、中國科學院大學、東南大學、華中科技大學、中科大、電子科技大學等學校和科研單位，擴大了集成電路設計與集成系統(tǒng)專業(yè)的國內外影響力。

畢業(yè)學生就業(yè)專業(yè)對口率明顯提高，受到了國內外相關用人單位的青睞和好評。眾多學生畢業(yè)后進入了日本NEC公司、武漢烽火科技公司、中電集團24所、聯(lián)華電子、國防科大計算機公司、華大九天集成電路公司等。

2019年參加全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設計大賽，獲得西南分賽區(qū)三等獎。2020年在全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得全國總決賽一等獎1項、西南分賽區(qū)二等獎1項。參加全國大學生電子競賽和重慶市大學生電子競賽，獲得全國一等獎1項、二等獎1項和重慶市獎多項。

結語

從集成電路系統(tǒng)教學的需要出發(fā)，解決了目前“模擬集成電路”課程教學中存在的理論學習和實踐動手分離、缺乏集成電路版圖設計環(huán)節(jié)等教學難題，以集成電路設計工程應用實踐中應該掌握的全部技能為目標，采用項目化的實驗教學方式，將完整的全定制集成電路設計流程貫穿于集成電路設計課程實驗中去，并在實驗流程的每一步驟設置明確的考核內容。該改革方法經實踐檢驗取得了較好成效。

參考文獻

[1]殷樹娟.面向應用型人才培養(yǎng)目標的集成電路設計本科課程改革[J].教育教學論壇，2016（14）：59-60.

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

[3]李莎，魯瑩，董建娥.產學研背景下集成電路原理與設計課程改革[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)與設計[M].2版.周潤德，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：分析與設計[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.集成電路設計[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)字集成電路設計”課程教學內容的探討[J].電氣電子教學學報，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)設計課程實踐教學改革與實踐[J].計算機教育，2015（2）：28-31.

[9]藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學[J].實驗技術與管理，2016，33（1）：122-126.

[10]毛劍波，汪濤，張?zhí)鞎?微電子專業(yè)集成電路版圖設計的教學研究[J].中國電力教育，2012（23）：52-53+61.

[11]施敏，張振娟，黃靜，等.集成電路版圖CAD課程實踐教學的研究[J].中國現(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》課程教學改革[J].數(shù)碼設計（下），2020，8（9）：197-198.

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

[14]章丹艷.“模擬集成電路設計”課程教學改革探索[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