基于多年的教学实践及IC企业实践经验,通过对我国IC设计产业发展状况和IC设计人才状况以及微电子学专业特点进行分析,探索面向IC设计人才培养目标的微电子学专业课程体系的定制与实践,以期为微电子学专业的IC设计人才培养目标开辟一条新的思路。
我国集成电路发展起步于1965年,但因体制等众多原因,与国外差距越来越大;进入20世纪80年代,由于国内半导体器件和集成电路生产缺乏竞争力,受到进口元器件的冲击,很多半导体器件厂被迫下马或转产,相应地很多高校的半导体或集成电路专业也被迫取消;进入90年代中期,由于微型计算机的发展、普及以及通信等信息产业的发展,对集成电路芯片的需求量越来越大,国家开始加大对微电子行业的支持力度;在教育部1998年颁布的《普通高等学校本科专业目录》中,重新确立了微电子学专业的地位;[1]并先后颁布了《关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(国发[2000]18号)和《教育部、科技部关于批准有关高等学校建设国家集成电路人才培养基地的通知》(教高[2003]2号),可见集成电路产业是我国当前重点扶持发展的新经济时代的基础产业之一。
经过十来年的重新发展,我国已经初步形成了芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试三业并举、比较协调发展的集成电路产业格局;在行业区域布局上已经初步形成了四大半导体行业重镇,即以上海为龙头的长三角地区,以北京、天津为核心的环渤海地区,以成都、西安为中心城市的中西部地区,以及以广州、深圳为中心的珠三角地区;[2]制造业的技术工艺已进入国际主流领域,测试和封装技术接近国际水平,与之不协调的是我国IC设计人才缺口巨大。微电子学专业是培养IC设计人才的专业之一,研究和制定面向IC设计人才培养的微电子学专业的理论与实践相结合的课程体系是十分重要的。
一、我国IC设计专业人才现状
我国IC设计专业人才目前正面临着人才总量严重不足、供需矛盾突出,人才层次结构不合理、地区分布不平衡以及人才流向与地区经济发展关系明显等问题。国家教育部、科技部共同于2003年7月确定了9个国家级集成电路人才培养基地的宏伟计划;选定了北大、清华、复旦、浙大、西安电子科技大学、上海交大、电子科大、东南大学、华中科大作为IC设计人才培养基地,其目标是到2010年培养高层次集成电路设计人才4万人,工艺人才1万人,为我国的集成电路设计与制造进入世界第一方阵提供高素质人才保证。[3]随后又先后增加了天津大学、华南理工、哈工大等多所大学作为国家级IC人才培养基地,旨在加快集成电路产业发展的步伐,大力培养集成电路设计人才,满足社会对集成电路设计人才的需求。虽然我国IC设计所占的集成电路产业结构比重在逐年递增,但是截止到2007年底还低于20%,仍以代工制造和封装测试为主,导致自主品牌相对较少,创新能力较弱,开发能力和产品设计能力弱,生产技术和高档产品主要靠引进,高级设计人才和开发人才缺乏;国内集成电路产业自有知识产权匮乏,技术严重受制于人,已经成为制约我国集成电路产业发展的瓶颈。[2]
根据来自IC设计行业的信息表明,目前国内从事IC设计五年以上的专业人员有相当大一部分来自物理学、电子信息工程等专业毕业的人员。我国目前针对IC设计人才培养的高等学校专业主要是集成电路设计与集成系统专业以及微电子学专业;其中集成电路设计与集成系统专业于2001年在电子科技大学获准设立,目前国内设有该专业的高校仅有16所;微电子学专业一般涵盖集成电路工艺开发、集成电路中的器件和材料研究、集成电路(IC)设计三个方面的培养目标,[1]国内设有该专业的高校有52所。针对微电子学专业不同的培养目标,科学合理地设置课程体系不仅能够保证人才培养质量,还能够提升其就业竞争力。
二、面向IC设计的微电子学专业特点
微电子学是一门极为活跃的新型学科,也是近年来非常热门的专业之一;主要研究新型电子器件以及集成器件的开发、制造,集成电路的设计、计算机辅助集成电路分析,各种电子器件及材料的基础理论、新型结构、制造工艺和测试技术。面向IC设计的微电子学专业主要具有:门槛高、内容新、发展更新快、学科交叉性强、与产业联系紧密、高投入、与世界同步、毕业生就业服务的范围具有国际性等特点。
IC设计属于交叉学科,其内涵并不像其他专业那样清晰和单一,人才培养涉及知识很广,包括微电子器件与电路、电子技术、计算机应用、通讯原理、控制原理、半导体器件、EDA软件应用、数字信号处理等多学科专业;此外,面向IC设计的微电子学专业实践性很强,对学生运用知识解决问题的能力、总结实践经验并发现新知识的能力、团队合作的能力、与人沟通和交流的能力以及创新的能力都有很高的要求。[4]
三、面向IC设计的微电子学专业课程体系构建
面向IC设计方向的微电子学专业的培养,除了应该使学生具有良好文化修养,掌握微电子学的基本理论和基本知识,受到科学实验与科学思维的基本训练,具有良好科学素养,掌握大规模集成电路及新型半导体器件的设计、制造及测试所必需的基本理论和方法,具有电路分析、工艺分析、器件性能分析和版图设计等的基本能力外,还应使学生较完整地了解和掌握IC设计、综合、验证、测试、应用的整个流程;既掌握IC设计技术又懂得集成系统技术;既有扎实的理论基础,又有较强的应用能力;既了解集成电路应用、生产制造又懂得IC产业的管理;既可以承担实际芯片产品的开发,又可进行更深入的科学研究与创新。
根据面向IC设计方向的微电子学专业的特点及培养目标,结合我们多年的教学实践及作者在IC设计企业的实践经验,提出了具有我校特色的微电子专业的课程体系。将面向IC设计方向的微电子专业的课程体系设置为五个部分,这五个部分既有循序渐进,又有相互交织,具体情况如下:
(1)公共基础课。主要完成大学物理、高等数学、外语以及“两课”、科学的世界观与方法论等人文学科的高等基本修养教育。大学物理和高等数学是理工科的基石;由于半导体技术发展极其迅速,新的技术和标准多是源自国外,所以IC企业对学生外语的要求很高,一般都要求员工阅读英文原文资料甚至撰写英文报告;科学的世界观和方法论对人才成长(如组织能力、团队精神、道德修养等)非常重要,除了可通过这一部分的教学完成, 还需要在其他相关课程的学习和实践中不断丰富。
(2)专业基础课。主要包括电子技术基础和计算机基础。电子技术基础需完成学科所需的专业基础知识的学习,以电路分析、模拟电子电路、数字电路、信号与系统、电磁场等课程及其实验为主;IC设计离不开计算机这一有力的工具,所以应该加强计算机方面的教学,计算机技术基础课程主要是完成计算机应用、计算机原理以及程序设计等方面的课程。通过这些课程的学习和实践,培养学生电子和计算机方面的基本能力,开拓学生的思维。
(3)专业主干课。主干课应该为一些技术含量比较高、能使学生毕业后迅速适应工作的核心课程,具体包括半导体物理、微电子器件原理、集成电路原理、半导体集成电路、集成电路工艺原理、半导体材料、固体物理等课程,以其为主线构成学科要求的阶梯训练系统。
(4)专业方向课程。微电子学专业主要面向工艺、器件和材料、IC设计三个方面,应该多开一些专业方向性比较强的课程,供学生根据兴趣及各自希望的发展方向进行选择。对于IC设计专业方向的课程,应该包括集成电路分析与设计、EDA技术、硬件描述语言、IC设计基础与实践、ASIC设计、SoC软硬件协同设计、集成电路逻辑综合验证技术、版图设计、集成电路测试与可测性等等一些实践性较强的课程,进一步培养了学生的知识综合能力、自学能力和实践动手能力。
(5)实践课程。微电子是一门实践性很强的学科,因此在努力提高理论教学的同时,必须加强对实践环节的教学和管理,提高学生的动手能力。可开设半导体材料和器件测试实验、集成电路系统设计实验、集成电路测试和系统开发实验等实验课程。
此外,实验教学应贯穿课堂教学的始终,部分专业基础课程应配备相应的实验课时来完善教学;部分课程(如模拟电路和数字电路等)应该单独设置实验课,实现从最简单的示波器使用,到制作比较完整的PCB板;有些课程(如IC设计基础与实践、EDA技术等)应以实验教学为主。开设两到三个阶段的课程设计,课程设计Ⅰ要求学生独立完成一块有一定难度的PCB电路的制作与调试, 课程设计Ⅱ要求学生用集成电路设计软件完成一定规模电路的前仿真、版图设计及后仿真等设计,经历模拟或数字集成电路设计的整个过程。加强毕业实习和毕业设计的过程及质量管理,争取安排学生到IC企业进行实习,每个学生的毕业设计时间应不少于3个月。
四、结束语
集成电路产业是当前新经济时代的基础产业,在国民经济、国防建设以及现代信息化社会中起着极其重要的战略意义,培养该专业优秀的IC设计人才离不开一个科学的课程体系。本文结合近五年的教学实践及两年多的IC企业实践经验,对面向IC设计人才培养的微电子学专业课程体系进行了探讨,对该专业的知识结构和课程体系的进一步研究与实践及培养优秀的IC设计人才具有一定的指导意义。
作者：韦保林 来源：中国电力教育 2010年18期
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