集成电路设计专业本科人才培养方案探索

李金城

(北京交通大学 电子信息工程学院， 北京 100044)

0 引言

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。国家先后发布了许多重要文件，极大地促进了我国集成电路产业的发展[1～3]。

人才是大力发展集成电路产业的关键，2021年我国集成电路产业的人才缺口26.1万人，人才短缺问题将严重阻碍我国集成电路产业的快速发展[4]。

为加强集成电路人才培养工作，国内先后有26所高校建设了示范性微电子学院[5]。复旦大学在全国率先设立了集成电路一级学科，工信部与教育部等部门也积极推进设立集成电路一级学科的设置工作，为此发布了多个文件[6～7]。2020年12月30日，国务院发布了《国务院学位委员会 教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路学科与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》，正式批准设置“集成电路科学与工程”一级学科[8]。

集成电路属于交叉学科，涵盖设计、工艺、材料、设备、封装和测试等多个领域，其中的“设计”是典型的技术密集型行业，它对于人才的依赖性远高于其他行业。《国家集成电路产业发展推进纲要》(后面简称《纲要》)指出，推进集成电路产业发展的首要任务就是着力发展集成电路设计业。目前国内IC设计行业专业人才市场缺口很大，难以满足行业发展的需要。

本文将以《纲要》为指导，以促进IT(Information Technology)重点领域的发展为目标，以模拟和数字集成电路全流程设计为主线，对本科阶段集成电路设计人才培养的素质要求、知识板块和课程体系等问题进行讨论，为集成电路一级学科的人才培养出谋划策。

1 两大基本素质

如前所述，《纲要》要求围绕重点领域产业链着力强化集成电路设计，在未来的几年中5G、物联网、云计算、人工智能、汽车电子以及可穿戴设备等都是信息技术发展的热点领域，集成电路在这些领域中不仅起着核心作用，而且还是掌握自主知识产权和占领科技前沿制高点的重要标志和体现。

系统集成芯片SOC(System on Chip)可以把电路系统集成在一块芯片上，是CPU、操作系统、各种IP模块以及APP软件的物理载体，具有功耗、成本、体积和可靠性的绝对优势，在信息技术热点领域起着核心作用，所以本科阶段集成电路设计人才培养应该面向SOC设计和热点领域应用，有针对性地制订培养方案，以满足产业发展对人才的需求。

图1所示为本文中构想的集成电路设计人才培养方案逻辑框图，它以热点领域应用为背景，以SOC设计为目标培养人才的两大基本素质，以四大知识板块为支撑指导课程体系规划。

两大基本素质包括“电路”和“系统”，这里的 “电路”是指懂得集成电路设计的理论与方法，“系统”是指了解系统的结构、原理、算法和应用，两者相辅相成，“电路”素质支持SOC芯片设计，“系统”素质支持SOC架构规划和应用开发。

“电路”素质的培养应在电子信息大类知识体系的基础上，强化集成电路设计的理论与方法，这样才能把集成电路设计人才与普通电子信息大类人才区分开来。模拟集成电路设计能力和数字集成电路设计能力是构成“电路”素质的两个重要方面，不要因为专业定位或者师资不全等原因而偏向其一，造成学生知识体系残缺，影响学术深造和职业发展。

图1 人才培养方案逻辑框图

“系统”素质的培养包括两个方面，一是常见协议和经典算法的通识教育，另一个是嵌入式开发能力的培养。前者包括网络协议、总线协议、通信协议、图像压缩算法、神经网络和遗传算法等，后者包括CUP体系结构原理、操作系统移植、BIOS设置和APP开发等基本原理和流程等。

“系统”素质不足或缺失将会导致学生只会设计电路模块，不懂SOC结构原理，在项目团队中始终处于边缘和被支配的地位，这也是目前本科阶段集成电路设计人才培养的一个痛点。

2 四大知识板块

两大基本素质培养需要四大知识板块的支撑，即硬件知识板块、嵌入式知识板块、系统应用知识板块和前沿科技知识板块。硬件知识板块支撑“电路”素质培养，嵌入式、系统应用和前沿科技知识板块支撑“系统”素质培养，这四大知识板块相互配合，共同构成集成电路设计人才培养的知识体系。

硬件知识板块是由电路理论和集成电路原理与设计两部分构成，其中前者是集成电路设计的理论基础，而后者是集成电路设计的物理实现，是集成电路设计专业标志性的教学内容，也是“电路”素质培养的核心内容。

嵌入式知识板块由单片机原理、微机接口和嵌入式开发等内容构成，由于现代SOC芯片通常以嵌入式CPU为核心，以总线架构为纽带，将各种传感、通信和算法模块结合在一起，通过软件调度完成系统功能，这个知识板块有助于SOC架构规划和芯片设计与开发，是“系统”素质培养的重要内容。

系统应用知识板块由网络、协议、总线和经典算法的基础知识构成，主要知识点包括移动通信、卫星通信、卫星导航、物联网、人工智能、神经网络、音视频处理、信息安全、蓝牙、WiFi和Zigbee等。这个板块可以提高“系统”素质，扭转学生在SOC项目中只懂电路模块不懂系统原理的被动局面，避免被边缘化。

前沿科技知识板块由物联网、人工智能、智能传感和区块链等等热点领域的基础知识、应用前景、主要挑战和发展动态等内容构成，主要是帮助学生开阔视野，增长见识，为学生们以后进行SOC项目研发、确定专业研究方向和制定职业规划做必要的准备。

3 板块教学目标与核心课程设置

硬件知识板块教学目标是使学生初步具备模拟和数字集成电路的设计能力，其中模拟部分要具备从电路结构确定、参数计算、原理图输入、Spice仿真、Layout、DRC、LVS和后仿真的全流程设计能力和相应的EDA软件操作能力；而数字部分要具备从Verilog代码设计与仿真、FPGA硬件测试、逻辑综合、时序分析(Pre-STA)、自动布局布线(P&R)、DRC和LVS等全流程的数字芯片设计能力和相应的EDA软件操作能力。

硬件知识板块的核心课程由两部分构成，一部分是电子信息大类中与电路相关的核心课程，另一部分是与集成电路设计相关的核心课程，包括“半导体物理”、“模拟集成电路设计”、“数字集成电路设计”、“混合信号集成电路设计”、“RF CMOS集成电路设计”等。这两部分课程内容共同构成了集成电路设计的理论与方法，前者为理论基础，后者为设计实现。

虽然硬件知识板块的核心课程也配有一定实验，但是这些课程毕竟是以理论教学为主的，其实验项目和实验步骤不一定能覆盖完整的设计流程，因此需要开设一些选修课和实验课进行补充。例如，模拟集成电路设计方面增开“版图设计”课程，强化 Layout matching(版图匹配)、Latchup(闩锁)、ESD(静电放电)、EM(电迁移)和Guardring(保护环)等与版图设计相关的重要概念和方法；数字集成电路设计方面增开“数字集成电路设计流程”课程，内容涵盖逻辑综合、时序分析和自动布局布线的理论与方法，以及与之相关的重要概念，例如setup-time、hold-time、时钟树和扫描链等。

编写硬件知识板块课程教学大纲要统筹规划各门课程内容，合理分解教学目标，以保证知识体系的系统性和完整性。不要简单地按照所选教材的章节内容编写教学大纲，这样很容易造成知识点的重复或缺失，出现集成电路设计流程覆盖不完整的情况。例如，Verilog代码设计经常会在数字电路、FPGA或EDA设计类教材中重复出现，而逻辑综合和静态时序分析等内容却很少出现在数字集成电路设计类的教材中。

嵌入式知识板块教学目标包括两个部分，即培养嵌入式开发能力和了解CPU体系结构。嵌入式开发能力，既包括操作系统移植、裁剪和BIOS设置，也包括嵌入式系统应用程序开发，是SOC芯片设计项目和大多数电子信息产品研发的主要内容，具有很强的实用性；了解CPU体系结构是理解CUP指令集和设计、评估与使用嵌入式CPU的基础，在SOC设计中发挥着重要作用。

嵌入式知识板块的核心课程可由CPU体系结构、计算机语言和嵌入式系统开发三类课程构成。其中CPU体系结构类课程可以选择“CUP体系结构与设计”、“单片机原理与微机接口”或“ARM、RISC-V指令集与CPU设计”等一到两门课程；计算机语言类课程应主要以像“C程序设计”和 “Java程序设计”等比较低级的面向对象的语言课程为主；嵌入式系统开发类课程则包括“嵌入式操作系统”、“操作系统移植与BIOS设置”等与嵌入式开发流程相关的课程。

系统应用知识板块的主要教学目标是使学生了解常见的通信系统、总线协议和算法原理等基础知识。它们是SOC架构设计的理论基础。由于毕竟不是计算机或通信专业的学生，这个知识板块的教学深度和考核难度可以适当降低。

系统应用知识板块的核心课程包括“计算机网络和下一代互联网”、“通信原理”、“通信协议和总线接口”、“神经网络与遗传算法”、“物联网结构原理”和“音视频处理与识别”等等，可将它们设置成选修课，供学生们有针对性地选择。

前沿科技知识板块的教学目标是开阔学生视野，了解前沿科技发展动态，使学生能紧跟技术潮流，选择正确的职业发展方向。内容包括新兴和热门领域的主要功能、系统结构、核心算法、热门词汇、技术难点和关键问题等，由于内容较多，只要有所了解即可，主要目的是扩展知识面。(李金城文)

前沿科技知识板块主要以选修课、专题讲座、学术报告或技术讨论等形式展开，涵盖的领域可以包括器件、工艺、通信、导航、物联网、人工智能、信息安全、区块链、MEMS和石墨烯等等，做到与时俱进，动态调整，在教学管理时进行必要的学分认定，以确保这个板块的教学效果。

上述四大知识板支撑两大素质的培养，改进了原来“重电路轻系统”培养模式的不足之处。为了保证各知识板块能完整到位，制订培养计划时应合理划分选修课程模块，避免选课冲突，并引导学生按照知识体系选择课程，必要时可以给出选课建议或制定选课规则，以减少盲目选课或者避重就轻凑学分情况的出现，使核心课程与选修课程相互配合，构成完整的知识体系，防止知识结构碎片化。

4 结语

本文以《纲要》为指导，以电子信息产业热点领域发展应用为背景，以SOC设计为目标，提出产业发展对集成电路设计人才培养的两大基本素质要求，给出支撑两大基本素质培养的四大知识板块，并对每个知识板块的主要目标和核心课程进行了讨论。本文对相关院校制订集成电路设计专业人才培养方案和编写教学大纲具有一定参考价值。