云計(jì)算助力集成電路專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

南通大學(xué)電子信息學(xué)院 孫海燕 孫 玲南通大學(xué)杏林學(xué)院 張 威 楊玲玲 陸曉飛

云計(jì)算助力集成電路專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

南通大學(xué)電子信息學(xué)院 孫海燕 孫 玲南通大學(xué)杏林學(xué)院 張 威 楊玲玲 陸曉飛

集成電路的設(shè)計(jì)、制造以及封裝與測試都離不開EDA工具，因此，基于EDA工具的實(shí)踐教學(xué)是高校集成電路相關(guān)專業(yè)的必備教學(xué)環(huán)節(jié)之一。受大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽啟發(fā)，結(jié)合我校EDA機(jī)房使用現(xiàn)狀，提出利用云技術(shù)將集成電路EDA工具云端化，以充分提高教學(xué)資源的利用率，為學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)提供平臺和條件，推動集成電路專業(yè)教學(xué)方法的變革和教學(xué)質(zhì)量的提高。

云計(jì)算；集成電路；電子設(shè)計(jì)自動化

0 引言

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的各種硬件、軟件等資源以服務(wù)的方式提供給終端用戶時，該網(wǎng)絡(luò)被稱作“云”?！霸啤敝械馁Y源對用戶而言是可以無限擴(kuò)展的，并且可以隨時獲取，按需使用[1]。隨著云技術(shù)逐漸走向成熟，云服務(wù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越多，也為教育信息化建設(shè)帶來了新的機(jī)遇。如何充分發(fā)揮云計(jì)算的優(yōu)勢，構(gòu)建各種云平臺以更好地進(jìn)行高校的教務(wù)管理、專業(yè)資源庫建設(shè)、虛擬學(xué)習(xí)等成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)之一[2-5]。

本文針對我校專業(yè)EDA機(jī)房使用率高，而單個軟件資源利用率低的問題，結(jié)合以虛擬化為核心的云計(jì)算技術(shù)能夠統(tǒng)一管理和調(diào)度大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源的特點(diǎn)，并受2015年大學(xué)生集成電路大賽中北京華大九天軟件有限公司為參賽學(xué)生提供了基于云平臺的全定制集成電路設(shè)計(jì)工具的啟發(fā)，在分析集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)特點(diǎn)和當(dāng)代大學(xué)生群體特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，討論構(gòu)建云端EDA實(shí)踐教學(xué)平臺的可行性和必要性。

1 構(gòu)建基于云計(jì)算的EDA實(shí)踐教學(xué)平臺

1.1 集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)特點(diǎn)

集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)是教育部根據(jù)“面向國家戰(zhàn)略需求、面向世界科技前沿”的方針，為適應(yīng)我國持續(xù)快速增長的集成電路市場對專業(yè)技術(shù)人才的需要而最新設(shè)立的電子信息類專業(yè)。2004年，我校成為全國首批具有“集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)招生資格的院校之一，本專業(yè)側(cè)重培養(yǎng)集成電路設(shè)計(jì)人才，同時為學(xué)生提供了集成電路封裝、集成電路測試以及集成電路應(yīng)用方面的方向選修課。

集成電路設(shè)計(jì)是一個多學(xué)科交叉、高技術(shù)密集的學(xué)科，從事集成電路設(shè)計(jì)需要的知識可以概括為：系統(tǒng)知識、電路知識、工藝知識和工具知識四大方面[6]。其中，不同種類的集成電路EDA工具貫穿了集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試的全過程，就集成電路設(shè)計(jì)階段而言，集成電路設(shè)計(jì)工程師就需要根據(jù)所從事的設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容掌握不同的軟件工具。例如，從事晶體管級電路設(shè)計(jì)的工程師需要掌握SPICE類電路分析工具；從事邏輯電路級設(shè)計(jì)的工程師需要掌握Verilog等硬件描述語言及相應(yīng)的分析和綜合工具；從事集成電路版圖設(shè)計(jì)的工程師需要掌握全定制版圖設(shè)計(jì)工具或自動布局布線工具等?？梢哉f，如今的集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)離不開EDA工具，而工具的使用在于熟能生巧，因此，在學(xué)校學(xué)習(xí)階段，能夠讓學(xué)生更多地練習(xí)并熟練使用EDA工具，將為他們今后從事本專業(yè)方向工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，熟悉相關(guān)仿真軟件、了解集成電路設(shè)計(jì)和流片的全流程已經(jīng)成為應(yīng)聘集成電路設(shè)計(jì)工程師的必備要求之一，因此，建設(shè)云端EDA平臺是培養(yǎng)本專業(yè)領(lǐng)域滿足社會需求的合格專業(yè)技術(shù)人才的必然要求。

1.2 當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)

如今的大學(xué)校園，在現(xiàn)代信息技術(shù)熏陶下成長起來的“90”后已經(jīng)成為主體，他們的心理特征、思維方式、行為習(xí)慣等都具有鮮明的時代特征[7]。傳統(tǒng)的形式僵化、內(nèi)容枯燥無味的課堂理論教學(xué)難以激發(fā)“90”后們的學(xué)習(xí)興趣，但他們對動手實(shí)踐環(huán)節(jié)卻表現(xiàn)出極大的熱情。這也是近年來我院學(xué)生報名參加各種課外訓(xùn)練項(xiàng)目、各級各類的學(xué)科競賽以及參加集成電路設(shè)計(jì)大賽等專業(yè)賽事的人數(shù)不斷增多的原因之一。基于EDA技術(shù)的集成電路專業(yè)實(shí)踐課程正滿足了學(xué)生這一學(xué)習(xí)需求，因此，協(xié)調(diào)好理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的關(guān)系，適當(dāng)提高實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，尤其是在實(shí)踐教學(xué)中引入理論教學(xué)中沒有涉及到的與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的知識，無疑將促進(jìn)學(xué)生對理論知識的掌握，提高他們解決本專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。

此外，當(dāng)代大學(xué)生們還熱衷于網(wǎng)絡(luò)化生活，智能手機(jī)、筆記本電腦、iPad等成為他們的隨身之物。如果在集成電路的實(shí)踐教學(xué)中能夠利用云平臺提供各種EDA工具，就可以改變以往學(xué)生必須到機(jī)房才能完成實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，他們可以使用筆記本、PAD甚至手機(jī)等任何一種終端隨時隨地完成電路設(shè)計(jì)工作。因此，為滿足當(dāng)代電子信息類學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，建設(shè)云端EDA平臺勢在必行。

1.3 基于EDA實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)

近年來，EDA技術(shù)逐漸被引入到電子信息類專業(yè)人才的教學(xué)中。借助EDA工具可以克服傳統(tǒng)電子類課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，實(shí)驗(yàn)室電子元器件品種不全、數(shù)量不足、實(shí)驗(yàn)電路板形式單調(diào)等不利于學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力[8]。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生通過使用EDA工具，可以快速地設(shè)計(jì)出各種電子系統(tǒng)，能夠科學(xué)系統(tǒng)地掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。然而，在EDA實(shí)踐教學(xué)中，我們也遇到了如下一些問題：

（1）計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)時少，學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)條件欠缺。我校為適應(yīng)電子信息技術(shù)快速發(fā)展對專業(yè)技術(shù)人才的需要，于1999年成立了EDA實(shí)驗(yàn)中心。目前，中心承擔(dān)了學(xué)院集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程等多個本科專業(yè)的模擬電路SPICE仿真實(shí)驗(yàn)、基于FPGA的數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)、集成電路版圖CAD等多門課程的教學(xué)任務(wù)。盡管中心對全體學(xué)生開放，但由于中心安排的教學(xué)任務(wù)較滿，難以滿足學(xué)生課外隨時使用EDA資源的需求。另外，就單門EDA課程的而言，計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時不足以讓所有學(xué)生都很好掌握EDA技術(shù)。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合不緊密，靈活性不夠。目前，大多數(shù)EDA實(shí)驗(yàn)內(nèi)容屬于基礎(chǔ)驗(yàn)證型，主要是為了檢驗(yàn)學(xué)生對理論教學(xué)的知識掌握情況。在有限的計(jì)劃實(shí)驗(yàn)學(xué)時內(nèi)，難以開展更為豐富的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班地被動完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，部分學(xué)習(xí)上有困難的學(xué)生甚至不能在課堂上獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，存在囫圇吞棗，草草應(yīng)付的現(xiàn)象。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有真正達(dá)到提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的目的，也沒有能夠很好地發(fā)揮學(xué)生的能動性，提高他們獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。

1.4 基于云平臺的EDA實(shí)踐教學(xué)

近年來，我國集成電路市場持續(xù)快速增長，行業(yè)對專業(yè)技術(shù)人才的需求旺盛，但現(xiàn)有的集成電路專業(yè)教學(xué)模式使培養(yǎng)的人才難以立即適應(yīng)崗位需求。為了培養(yǎng)受企業(yè)歡迎的畢業(yè)生，以工程實(shí)例為實(shí)踐內(nèi)容，讓學(xué)生從原理圖開始，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)、仿真甚至流片測試的集成電路設(shè)計(jì)全過程是一條行之有效的途徑。而讓學(xué)生熟練掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法，熟練使用各種EDA工具是重要的基礎(chǔ)之一。如何突破現(xiàn)有EDA機(jī)房物理空間有限，為學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)EDA工具提供條件，云計(jì)算的出現(xiàn)為構(gòu)建EDA虛擬仿真平臺提供了技術(shù)方案。2015年集成電路設(shè)計(jì)大賽中，北京華大九天軟件有限公司通過云平臺為全國部分高校參賽學(xué)生提供了全定制集成電路設(shè)計(jì)的全流程工具，為我們提供了很好的示例。通過建立校園網(wǎng)內(nèi)的私有云，為學(xué)生提供EDA工具服務(wù)將是提高他們EDA實(shí)踐能力的一種很好的嘗試。

2 結(jié)語

當(dāng)前形勢下，推動我國自主知識產(chǎn)權(quán)EDA設(shè)計(jì)工具的普及，為我國的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供合格的、實(shí)踐能力強(qiáng)的畢業(yè)生是高校的使命。通過進(jìn)一步完善EDA平臺建設(shè)，為學(xué)生提供極大的創(chuàng)造空間，凸顯學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位，有利于他們創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

[1]張慧．基于云計(jì)算的開放性教學(xué)資源平臺建設(shè)研究[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012,22(1):202-204,208．

[2]萬智萍,莫偉健．基于云計(jì)算的高校信息化虛擬學(xué)習(xí)體系的研究與探索[J]．長春大學(xué)學(xué)報,2014,24(10): 1449-1451．

[3]張鳳來,方程．云計(jì)算在國家開放大學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．軟件工程師,2014,17(11): 57-58,54．

[4]李賀華,陳順立．基于云計(jì)算的專業(yè)教學(xué)資源庫建設(shè)研究[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(10): 193-197．

[5]李旭．云計(jì)算在高等院校中的應(yīng)用初探[J]．江蘇科技信息,2014,20:30-31．

[6]王志功,沈永朝．集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京: 電子工業(yè)出版社,2004．

[7]呂鵬,王振．當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)與思想政治教育策略[J]．教育與職業(yè),2014．3:52-53．

[8]王正勇,陳學(xué)昌．依托EDA技術(shù)促進(jìn)電子信息類專業(yè)教學(xué)模式改革的探索[J]．工業(yè)和信息化教育,2014,7: 51-53．

孫海燕（1977-），男，江蘇南通人，博士，南通大學(xué)電子信息學(xué)院副研究員。

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目。