倪海燕　王伦耀　夏银水　金明

[摘 要]近几年国家对集成电路产业的发展非常重视。为了支持国家集成电路产业的发展，高校针对集成电路专业模块的课程进行了建设。数字集成电路前端设计及其工程实践这门必修课程的地位非常重要。文章就近两年本门课程的教学情况进行了梳理和总结，详细描述了本门课程的教学内容和教学过程，并对进一步改进本门课程的教学内容和教学过程提出了一些思考与看法。

[关键词]数字集成电路; 课程改革;实践课程

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）04-0131-04

集成电路关系到我们国家的经济命脉，是国家重点发展的工业领域。2014 年 6 月，国务院印发的《国家集成电路产业发展推进纲要》文件[1]明确提出，到 2020 年，集成电路产业水平与国际先进水平的差距要逐步缩小，实现跨越式发展;到 2030 年，集成电路产业链主要环节要达到国际先进水平，并特别提出要建立健全集成电路人才培养体系。高校作为培养人才的基地，在集成电路的人才培养方面起到举足轻重的作用，集成电路专业人才培养的目标是：培养具有创新和实践能力的复合型人才，也就是既要有扎实的理论知识，又要有较强的动手能力。我们必须通过提升教育教学水平，为国家输送这样的复合型创新人才[2]。在本科教学中，理论联系实践的教学是最好的方式，可以为人才培养夯实基础，并为其进一步深造或者进入社会就业打下良好的基础;必须精心设计教学方法，突出理论性，强化实践的训练，激发学生的学习积极性，能够引导学生进行创新性的思考。

集成电路分为数字、模拟和混合三种类型，其中數字集成电路设计是整个集成电路产业的重要组成部分[3]，而数字电路的设计流程，大体上又可以分为前端设计和后端设计。基于精细化培养学生的目标，也为了降低学生对于整个流程的学习复杂度，我们分别针对这两个流程的理论和工具链设立了两门课程，分别为数字集成电路前端设计及其工程实践、数字集成电路后端设计及其工程实践，笔者负责建设的就是前端设计的课程。本文就数字集成电路前端设计及其工程实践课程近两年的教学情况和教学效果进行回顾与总结，并对本课程的进一步建设方案进行了思考和探索。

一、教学内容的选择

数字集成电路设计的实现主要分为 ASIC 的设计实现和基于 FPGA的设计实现，而 ASIC 设计又分为全定制的方式和基于标准单元库的实现方式。一般对于复杂数字电路的 ASIC 设计[4]，基于标准单元库的方法较为多用。所以，笔者对本课程主要通过基于标准单元库的 ASIC 设计流程进行教学设计，并以此为基础进行实验内容和相应工具链的选择。

本课程是实践性比较强的课程，除开始几节课进行相关理论的介绍以外，其余全部都是实践操作课，主要是设计性和综合性的实验内容。为了让学生能够进行有效的、有针对性的学习，课程共开设了 6 个实验，内容如表 1 所示，其中的自动布局布线环节一般被归入后端设计的流程，但是考虑到与后端设计的衔接，为了让学生更加直观地感受到综合后的网表与集成电路布局布线的关系，我们在设计时加入了简单的自动布局布线实验。从最基础的 Verilog HDL 逻辑设计实验开始，到全流程完成最后一个设计为止，任务一步一步地推进，难度也一级一级地提升，让学生在一个个任务挑战的过程中完成对集成电路前端设计流程和相关工具链的熟练掌握。

为了对整个课程内容有更好的把握并展示我们实验设计的思路，下面对表1所示的教学内容进行简单的介绍。

在具体的实践环节开始之前，我们会给学生进行理论知识的讲解，主要是讲授 Verilog HDL 的基本语法和逻辑设计的方法和技巧，主要目的是让学生能够完整系统地学习使用 Verilog HDL 进行硬件描述、设计和验证的方法，同时对于逻辑综合相关的概念，特别是时序方面的各种延时模型进行了详细说明，为后续的实践内容做好准备。

第一个实验是集成电路设计工具的安装与使用，涉及几种集成电路设计中使用频率较高且具有市场前景的 EDA 软件，主要包括 Mentor 公司的 ModelSim，这是业界最先进的 HDL 语言仿真平台;Synopsis 公司的 Design Compiler（简称为 DC），这是业界最常使用的逻辑综合软件。后者是在 Linux 运行的逻辑综合平台，需要具备一定的 Linux 操作系统的基本知识和操作技能，所以本实验中也涉及一些Linux 常用命令的操作实验，为后续的逻辑综合实验做好准备。

第二个实验是逻辑仿真，主要是设计一个中等规模的数字电路系统，让学生通过实践掌握 Verilog HDL 进行逻辑设计的技巧和方法，以及学习利用 Verilog HDL 编写仿真测试平台的设计技巧。同时，本实验也是为了训练学生掌握 ModelSim 数字电路设计仿真平台的使用方法。

第三个实验是逻辑综合，通过一个带有扫描功能的七段显示译码电路，掌握 Verilog 中基于模块化设计的理念，熟练掌握集成电路综合相关的概念，以及了解各种延迟模型对综合结果的重要影响;主要针对 ASIC 设计中基于标准单元库的设计流程，让学生学会使用 DC 综合工具，并学会对综合以后产生的各类时序、功耗和面积报告进行解读和分析，同时要掌握两种性能优化的方法，即优化逻辑设计和优化综合配置，前者需要不断地对逻辑设计到逻辑综合的迭代过程进行优化，而后者需要通过综合过程各种延时模型的精确调整来进行优化。另外，为满足自动化综合的方法，学生还需要学习使用 CTL 脚本语言的基本语法。

第四个实验是针对前一个实验的 ASIC 设计综合结果，采用相应的工艺库，使用自动布局布线脚本进行简单的自动布局布线操作，以产生布线效果，让学生可以通过这个实验，看到综合后的电路在芯片上出现的实际模样。这个实验虽然省略了很多的优化步骤，但是可以让学生粗略感受到芯片的形成过程，对于相应的后端设计实践课程起到承上启下的过渡作用。

第五个和第六个实验通过两个更加复杂的设计，让学生综合应用前面几个实验中学到的知识进行整个流程的完整设计，目的是进一步提高学生逻辑设计的能力和技巧，让学生更加深入地理解和掌握综合过程中的各种操作方法，以及 CTL 脚本的书写方法。

我们之所以只选择逻辑设计和逻辑综合这两个主要的集成电路设计流程，而略过其他流程环节，有两个原因，一是基于学生知识结构的基础，本课程是电信专业集成电路模块方向学生的必修课，学生在这之前学过的相关专业课程主要是数字电路技术基础和集成电路原理两门课程。在数字电路技术基础课程中，学生学习了数字电路的组成原理，而其中的电路设计主要是通过逻辑表达式的方法进行设计，通过分立器件和小规模集成电路模块的组合进行电路实现，设计的电路规模不大，方法也仅局限于中小规模电路。而集成电路原理课程，主要是介绍基础电路中从 MOS 器件到单元电路的构成方法和原理，以及相应的电流、电压和电容的模型阐述，对应的实验课程主要以全定制的方式实现 MOS 器件到单元电路的构成，而对于复杂电路的构成则缺少方法的支持。所以，需要通过本课程进一步结合与拓展数字电路和集成电路的知识范围，使用硬件描述语言的方式进行逻辑电路的设计和使用自动综合工具的方法进行电路的实现，进一步巩固和优化数字集成电路的设计方法。二是根据集成电路现代化生产流程中的主次方面进行提炼，其中设计和综合是前端流程中最为重要的两个环节，其他的一些环节基本都是在辅助这两者进行的，因此这两者就是学生要重点掌握的知识要点，需要学生通过理论加实验的方式进行学习和加强。

二、实验指导书的编写

由于本课程是一门实践性特别强的课程，我们的初衷是希望教学能够尽量接近现代集成电路的工业流程，让学生能够真正学有所用，这对学生以后的就业和进一步深造都有帮助。因为没有现成合适的实验指导书可供使用，所以我们根据实验室现有的软硬件条件和集成电路的工业流程编写了一套实验指导书。为了让实验指导书不断跟上集成电路工业中数字集成电路设计制造的现代化先进流程，我们在每学期教学情况的基础上及时总结，并对实验指导书不断地进行修订，及时增删部分内容，以期让实验指导书更加完善、实验内容更加合理，能够更好地培养学生的实践和创新能力。

为了更好地配合实验指导书的编写和实践课程的教学，学院专门拨款购买了相应的工业 EDA 软件系统，让学生可以真正地在工业化环境下学习和设计，为他们以后的就业做好充足的准备。

三、课程考核

为了保质保量地完成课程教学，我们对课程考核也进行了认真的思考和探索，舍弃了以实验报告为唯一评价标准的做法，提出了实验考勤、实验过程、實验结果、实验报告和期终考核等多种多维度的考核方式，对学生进行综合的评价和考核。

首先，通过考勤督促学生意识到每次参与实验的重要性，一旦学习脱节，后续环节的学习衔接就会出现断裂，不管是目前非常热门的在线学习，还是传统的课堂教学，都是如此。现在网课、慕课等在线的课程都做得非常好，内容也非常丰富，只要学生愿意，几乎都可以在网上学习到很多知识。在“在停学不听课”的大背景下，我们也积极地在网上开展了这门课程的部分教学工作，同样我们也完善了网上考勤的制度，不让学生落下一节课。

实验过程考核涉及学生在实验过程中表现出来的工作效率，以及对理论知识的消化吸收和转化程度。学生只有对理论知识进行充分理解，并充分实践，才能让学习巩固得更加扎实。实验本身就是为了促使学生积极开动脑筋，进行创新能力的锻炼。在实践中，我们发现，除验证性或者演示型的简单实验以外，对于同样一个设计性或者综合性的实验要求，不同的学生往往思路迥异，会出现完全不同的设计思路，这可能会出乎教师的意料，但这正是鼓励学生发挥创造力和独创精神的时候，应让不同的设计思路不断产生碰撞，教师通过及时的点评给予学生正面反馈，以加强学生独立思考能力的培养。另外，有的实验要求比较复杂，需要多名学生共同合作完成，这就给了学生锻炼合作能力的机会，大家相互合作，共同完成一个课题，这是完成大型任务的必要条件，如果团队协作得好，就可以非常高效地完成复杂的任务。因此，具备独立思考和团队合作能力的人才就是社会所需要的复合型人才。我们应尽量控制每次课程实验班级的规模，人数控制在 20人到30人 之间，这样教师对每位学生的实验过程都能够及时地进行观察、记录和反馈，实验教学效果是最好的。人数过多，要让教师及时关注到每人每组的实验情况几乎是不可能的，而人数过少，又会影响教学的效率。

实验结果考核涉及对学生实验成果的评价，需要兼顾学生完成的效率和成果的质量。有的学生追求完美，对结果要求比较高，那他可能会花费更多的时间去完善;而有的学生只是追求尽快完成实验，那他的完成质量就有可能会比较粗糙;当然也有的学生既能保质保量，又能注意效率，比较快速地完成任务，而有一些学生可能会参考太多别人的思路，完成得也比较快速。对于一个有责任心的教师来说，应该结合实验过程的观察，针对实验结果进行客观公正的评价，需要花费很多心思和技巧去甄别学生实验结果的优劣，提高那些真正愿意学习和实践的学生的积极性，打消部分学生偷懒耍滑的思想，让每个学生根据自己的能力尽力完成实验任务。

实验报告是对一个学生的书面表达能力进行评价的依据。我们希望通过这项考核让每一个学生都能够根据自己的实践过程和自己的理解，结合理论知识认真地书写实验报告。往往实验做得非常细致的学生，实验报告也会写得比较到位，这说明只要一个人的态度认真，不管是实践还是报告书写都能做得很好。所以，实验报告的考核，可以督促学生每次实验都认真对待。

最后一点是实验考试，这是最能体现一个学生的综合能力的时候。我们每次课都会安排上机考试，要求学生根据要求完成几个考题，并要求不能彼此交流，必须独立完成题目所要求的逻辑设计、仿真、综合等任务，必须在规定的时间内完成。一方面，通过对几次实验考试过程的分析，我们也不断总结题目的难度和覆盖面，形成一套出题的思路;另一方面，我们搜集集成电路工业现场的项目课题，将其精简改造成我们的上机考题，并逐渐完善上机考试题库。

综合以上几个方面，我们尽量客观公正地给出每个学生这门课程的最后总评成绩。

四、教学效果

通过对这门课程的精心编排和教学，学生对本课程非常认可，90% 以上的学生都觉得这门课程对他在集成电路专业方向的学习帮助很大。另外，多角度多维度的考核方式，让教师与学生的关系非常紧密、非常融洽，每学期末教务处的“学评教”的评分中，这门课的平均分数都在良好以上。这也表明了学生对于教师的认可。学生通过本课程的学习，对集成电路的工业化流程有了非常深入的理解，对后续的就业或者研究生深造都具有深远的影响。这几年该专业的就业非常稳定，近两年集成电路专业方向的学生都找到了满意的工作，有些考上了研究生，继续在集成电路的专业方向上深造，同时用人单位或者研究生单位对相关的毕业生表现满意度很高，特别在专业知识的掌握和动手实践能力上具有较高的认可度。

五、不足和完善

虽然本文提出的教学内容和教学方式已经实行了数年，学生的反馈不错，上课流程也比较顺畅，但是我们感觉还是需要进一步完善课程的内容和过程。

比如对实验内容，虽然有验证的环节，但是学生学得并不深入，也没有在验证方法学上展开研究。目前在集成电路产业中，集成电路验证工程师的地位日益突出[5]，对验证方法的研究也日益完善，因此有必要在本课程后续引入深入学习和实践验证，以及验证方法学研究的知识内容。

对于工业化生产的集成电路生产流程，除了设计、综合、验证，还包含其他更加細致的内容，比如可测性设计、静态时序分析等，随着集成电路的规模越来越大，这些内容的作用和地位也越来越重要，所以在以后的实验设计中，可以适当地补充增加一些这方面的内容和要求。

另外，自动布局布线的实验设计本来应该归属于后端设计的重要内容，但本课程教师希望通过该项实验内容的开设，能够让学生增强构建电路的直观感受，而实际上却挤占了真正前端设计的其他内容的教学时间，所以以后的课程改革中可以考虑将该项内容去除，替换成更加有效更加丰富的前面论述的验证等前端设计内容。

六、结语

数字集成电路前端设计及其工程实践是我校集成电路专业方向的一门重要专业实践课程和环节，课程从培养学生创新能力和协作能力出发，从理论讲授到动手实践进行了精心的设计，完成了从逻辑设计、逻辑仿真到逻辑综合和自动布局布线的工业化流程的实验过程，让学生体验了数字集成电路设计制造流程的前端部分，能够有效地培养社会亟需的集成电路领域的人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李力游. 产业政策制定与实施应更关注设计业龙头[J]. 中国电子报， 2014（45）：4.

[2] 康海燕， 冯晓丽， 蔡觉平. 数字集成电路实验教学改革与实践[J]. 高教学刊， 2019（12）：141-143.

[3] 夏晓娟， 方玉明， 刘小花， 等. 集成电路设计实验教学改革初探[J]. 科技视界， 2020（4）：44-45.

[4] 陈光辉. 《ASIC 课程设计》教学模式改革与研究[J]. 湖南科技学院学报， 2016（10）：47-48.

[5] 王立平， 姚程宽， 陈向阳， 等. IC 验证三种不同方法的分析比较[J]. 太原师范学院学报 （自然科学版）， 2019（1）：67-69.

[责任编辑：钟 岚]

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