集成电路设计的方法范文

导语：如何才能写好一篇集成电路设计的方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：模拟集成电路；基于方程的优化方法；基于仿真的优化方法；误差增量模型

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模拟集成电路设计通常分为三个步骤[1-3]：首先根据电路性能要求选择合适的电路拓扑结构，然后设计电路参数，最后设计版图并验证。而最为重要的是前两步。在选好一个电路拓扑结构后，如何完成电路的参数设计，即根据预期的电路性能参数来确定电路中器件尺寸、电阻、电容等参数的取值非常重要。传统的设计方法首先根据电路设计指标列出方程，从方程中计算尺寸并进行仿真。如果所得结果不符合要求，则需更改方程得到新的器件尺寸继续调试，不断重复直至符合电路要求。这一过程繁琐、冗长且难以保证结果，是模拟电路设计效率难以提高的主要原因。

目前，电路领域提高电路设计效率的方法主要是基于优化的方法。基于优化的方法是将电路性能指标作为优化的目标函数，利用函数优化的方法来完成电路设计。一般优化设计方法有两种，即基于方程的优化和基于仿真的优化。基于方程的优化中目标函数由解析公式计算而得，虽然优化速度快但精度低。基于仿真的优化中目标函数通过电路仿真获得，虽然精度高，但计算量大，优化速度慢。

如何获得精度与基于仿真方法相当的准确解，又使计算量不致过大，是近年来电路优化研究领域备受关注的课题。人们虽采用多种方法尝试，但最常见的是先构造电路性能指标的宏模型，再进行优化。宏模型的计算相当于一个解析式的计算，因此可较快完成，只要宏模型构造得当，精度可达到与仿真接近的程度。需要研究的主要问题是宏模型的形式，如简单多项式、统计回归、神经网络与模糊逻辑、SVM等，及宏模型的构造算法。

本文采取的方法是一种基于方程与误差增量模型的混合优化方法，可大幅减少仿真器的调用次数，降低计算成本，同时又具备与基于仿真方法几乎相同的精度。方法的主要思想是以基于方程的优化结果作为出发点，通过构造电路性能准确值与解析近似之间的差值增量模型，求解一系列误差不断减小的近似优化问题，通过迭代逐步获得问题的准确解；每一次迭代在上一次优化解附近构造新的差值增量模型再调用优化算法，相当于采用基于方程的方法求解，因此速度很快；电路仿真只在构建误差增量模型时需要，而一次迭代解附近的误差增量模型一般用二次多项式近似即可，因此所需仿真次数不多。整体上可达到既减少仿真次数，又不影响精度的目的。我们称这种方法为基于误差增量模型的优化方法。

1 基于误差增量模型的优化

电路性能指标的解析表达虽然存在误差，但大致反映了性能随设计变量的变化情况。将其准确值表达为：

f（x）=fa（x）+fd（x） （1）

其中，fa（x）是性能的近似解析表达，fd（x）=f（x）-fa（x）是误差增量。基于这一表达，本文提出的基于方程与基于仿真的混合优化方法如下：

（1）用基于方程的方法进行一次初始优化，即求解：

（2）

获得一个近似最优解x0作为初始点；

（2）在点xk附近构造电路性能准确值与解析近似之间的误差增量模型，包括目标函数：

（3）

与约束函数：

（4）

由于只需在一点附近的增量误差近似，因此通常用二次插值即可构造这一模型[4]。

（3）求出如下题的最优解：

（5）

这一步的优化目标与约束函数均是解析计算，因此可以很快完成。

（4）重复步骤（2）、（3），直至该过程收敛。

这种混合优化方法的基本思想从基于方程的近似最优解出发，通过迭代逐步消除误差，与一般非线性问题的迭代求解类似。该方法的特点在于充分利用了电路的性能解析表达式。解析表达虽有误差，但包含了目标与约束函数的基本特性，反映了函数变化的总体趋势，降低了每次迭代时误差增量函数的复杂性，可用较简单的函数形式近似，也有利于设计者更好地理解优化过程。该方法既改善了电路性能解析表达式精度不高的问题，又可大幅减少仿真器调用次数，提高优化效率。

2 两级运放设计实例

以一个带米勒补偿的两级运放为例，说明利用该方法进行优化设计的过程。电路采用TSMC 0.35 μm工艺，其中CL=3 pF，VDD=2.5 V，VSS=-2.5 V，电路要求的性能指标见表3所列，考虑到的性能指标有功耗（Power），单位增益（Av），单位增益带宽（UGB），摆率（SR）以及相位裕度（PM）。CMOS两级运算放大器电路如图1所示。两级运放性能指标见表1。

图1 CMOS两级运算放大器电路

表1 两级运放性能指标

性能

指标 Av PM UGB Power SR Area

设计

要求 >70 dB >65° >10 MHz 10 V/μs

对该电路，性能的近似表达式为[5-8]：

SR=I5/Cc

Power=（VDD-VSS）・（I5+I7+IBias）

AV=gM1・gM6/（（gds1+gds3）・（gds6+gds7）） （6）

Area=2・W1・L1+2・W3・L3+W5・L5+W6・L6+W7・L7+W8・L8

UGB=ωc/2π

PM=180°-tan-1（ωc/p1）-tan-1（ωc/p2）-tan-1（ωc/z1）

f3db=p1/2π

Ω玫缏方行优化设计，采用Matlab工具箱中的约束优化工具fmincon，将功耗作为目标函数，表1中的其他性能指标作为约束条件，做基于方程的优化。为保证电路正常工作，需要对电路中的晶体管添加约束。对于NMOS管，有：

Vds≥Vgs-VT>0 （7）

对于PMOS管：

-Vds>VT-Vgs>0 （8）

除此之外晶体管需满足工艺库对器件尺寸的要求：

Wi≥1 μm， i=1，2，…，8

Wi≤195 μm， i=1，2，…，8

之后，利用误差增量模型进行优化设计，并以一次基于仿真的优化设计作为比较。基于方程的优化设计见表2所列，方程和误差增量模型的混合优化设计见表3所列，基于仿真的优化设计见表4所列。

表2 基于方程的优化设计

电路性能 参数 器件尺寸 参数（μm）

UGB 9.66 MHz W1 2.94

Power 0.40 mW W3 5.30

PM 63.32° W5 5.52

Av 72.58 dB W6 66.79

SR 10.00 V/μs W7 46.59

Area 146.40 μm2 W8 6.06

表3 方程和误差增量模型的混合优化设计

电路性能 参数 器件尺寸 参数（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.81

Power 0.43 mW W3 8.73

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 131.28

SR 10.00 V/μs W7 57.12

Area 223.10 μm2 W8 6.06

表4 基于仿真的优化设计

电路性能 参数 器件尺寸 参数（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.80

Power 0.44 mW W3 8.84

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 132.73

SR 10.00 V/μs W7 57.14

Area 224.78 μm2 W8 6.06

可见，利用基于仿真和方程的混合优化方法可以得到和完全基于仿真方法相近的结果。且通过表5可以看出，混合优化方法减少了仿真器的调用次数，提高了优化效率。

表5 混合设计和基于仿真设计的F-count比较

混合优化设计方法 基于仿真优化设计方法

F-count 136 335

3 结 语

本文提出了一种基于方程和误差增量模型的混合优化方法，即通过对性能误差建立二阶模型来建立新的性能方程。再采用Matlab的优化工具箱进行基于方程的优化。本文通过运算放大电路优化实例来验证该方法的有效性，且相较于基于仿真的优化方法减少了调用Hspice的次数，节约了时间。

参考文献

[1] B.Razavi. Design of analog CMOS integrated circuits[M]. McGraw-Hill Comp.， 2001.

[2]代扬.模拟集成电路自动化设计方法的研究[D].长沙：湖南大学，2004.

[3]陈晓.工作点驱动的模拟集成电路优化设计方法研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

[4] RM Biernacki，JW Bandler，J Song，et al. Efficient quadratic approximation for statistical design[J].IEEE Transactions On Circuits And Systems，1989，36（11）：1449-1454.

[5] Metha Jeeradit.Mixed Equation-Simulation Circuit Optimization[D].For The Degree Of Doctor Of Philosophy，2011.

[6] V Gewin. Space Mapping：The State of the Art[D]. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques，2012，22（6）：639-651.

篇2

关键词 模拟集成电路设计；理论与实践相结合；仿真实验

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2013）30-0095-02

集成电路设计相关课程体系是各高等院校电子科学与技术、电子信息科学与技术等工科专业核心专业课程设置的重要组成部分，为大学生深入学习掌握集成电路设计的基本原理、分析方法、仿真方式等打下基础。大多数理工科高校对电子类专业开设模拟集成电路设计和数字集成电路设计的课程，对学生进行综合培养。对于模拟和数字集成电路设计，如果要深入到晶体管级进行分析和设计，那都必须进行原理的深入学习。而在现实工作中，数字集成电路设计主要是通过运用高级硬件电路描述语言基于门级对电路进行设计，晶体管级的原理分析只是理论基础。模拟集成电路设计则必须完全深入晶体管级进行分析和设计，所以模拟集成电路设计更加繁琐和复杂，对理论分析的要求也更高。

本文通过笔者多年来在模拟集成电路设计理论和实践教学中积累的经验和教学心得，对如何在繁琐和复杂的教学中使学生更好地掌握知识体系进行探讨。

1 教材的选择

1.1 国外经典教材的参考

集成电路的设计国外特别是美国要领先中国几十年的技术水平，如绝大多数高精尖端的芯片都是被INTEL、AMD、TI、ADI这样的跨国巨头所垄断，在教学知识体系方面自然是美国的高校如斯坦福、加州大学等要比国内高校更加系统和完善。美国出版的多本教材更是被奉为集成电路设计的圣经，如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》、艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》等。但是即使是被奉为圣经的教材，虽然经典，也有其局限性。如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》对电路的理论分析非常透彻且深入浅出，却缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析；而艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》虽有部分仿真实验来验证其理论分析，但其理论分析又不如拉扎维的教材那么透彻和深入浅出。

1.2 国内教材的选择

国内的高校虽然较国外高校而言在集成电路设计领域起步要晚，差距也很大，但是在近些年国家政策的大力扶持下，已经有了突飞猛进的发展。国内也有了几本模拟集成电路设计知识讲解得比较透彻的教材，比如：清华大学王自强编著的《CMOS集成放大器设计》就从简单知识入手，讲解浅显易懂；东南大学吴建辉编著的《CMOS模拟集成电路分析与设计》分析比较透彻，讲解自成体系。但是国内出版的教材也都缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析。

针对国内学生在集成电路设计知识领域基础比较差的现状，可以选择国内讲解得比较简单浅显的教材为主线，并以国外经典教材为参考。

2 教学方法的改进

模拟集成电路设计作为电子科学与技术专业的一门专业核心课程，比某些专业基础课程如电路原理、数字电子技术、模拟电子技术等要难度更大，也更为繁琐和复杂。如果按照传统方式进行讲解，或者说仅仅是按照教材进行理论分析和推导，那么学生很难对这门知识深入理解和掌握。因此，在教学理论知识的过程中，穿教材中没有的、可以验证其相应理论的仿真实验，这样能够更好地使学生理解和掌握理论知识。

2.1 以HSPICE仿真实验为辅助

SPICE是一种可以用于电路仿真的工具，大家所熟知的有PSPICE，它是一种可以适用于分立原件的电路仿真工具，而HSPICE是在集成电路设计领域专业使用的高精度的仿真工具。专业的集成电路设计公司和研究所都是使用UNIX或LINUX环境下的大型专业工具软件进行集成电路设计仿真，而笔者所在高校因为在此领域起步较晚，专业开设也较晚，专业实验室也并不具备，所以并不具备很好的实验条件来进行实验辅助教学。因为HSPICE具有可以在Windows环境下方便使用的小型版本的软件，所以可以很方便地用在课堂教学中。

2.2 理论与实践相结合教学

在繁琐复杂理论分析和推导的过程中，不断地穿HSPICE仿真，来验证理论分析和推导的结果，可以让学生显著加深对理论的理解和掌握。HSPICE仿真部分的内容是清华、复旦、东南大学等高校教师出版的教材里面都没有详细讲解的内容，也是他们课堂理论讲解过程中不会涉及到的知识。而在笔者所在高校以HSPICE仿真实验为辅助，结合理论教学后，取得了积极显著的教学效果，学生对理论知识的理解和课程考试成绩都得到了大幅度的提升。以2008级到2010级电子类专业的学生为例，模拟集成电路设计课程考试得优率从22%提升到了43%以上，学生对此教学方法也是高度认同。

3 结束语

在我国大力实行人才战略，强调人才培养的大环境下，笔者所在高校也响应国家号召，加强本科生培养，实施卓越工程教育，取得积极可喜的成绩。国家在近些年大力支持集成电路设计的产业发展，国内在此领域也有了长足进步，但也更加需要更多的专业人才来满足市场需求。在此背景下，本文积极探索和提高模拟集成电路设计的教学方法，取得长足的进步和发展，也得到学生的高度认同。笔者希望自己的经验和方法可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。

参考文献

[1]Lazavi.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[2]Allen P E.CMOS模拟集成电路设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[3]王自强.CMOS集成放大器设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

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关键词：集成电路设计；版图；CMOS

作者简介：毛剑波（1970-），男，江苏句容人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，副教授；汪涛（1981-），男，河南商城人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，讲师。（安徽?合肥?230009）

基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02

集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1-4]

一、集成电路版图设计软件平台

为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划，和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室，配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。[5，6]

集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计，涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。

在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System），这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。

九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器，ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。

二、集成电路版图设计的教学目标

根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。

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关键词：IP技术 模拟集成电路 流程

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02

1 模拟集成电路设计的意义

当前以信息技术为代表的高新技术突飞猛进。以信息产业发展水平为主要特征的综合国力竞争日趋激烈，集成电路（IC，Integrated circuit）作为当今信息时代的核心技术产品，其在国民经济建设、国防建设以及人类日常生活的重要性已经不言

而喻。

集成电路技术的发展经历了若干发展阶段。20世纪50年代末发展起来的属小规模集成电路（SSI），集成度仅100个元件；60年展的是中规模集成电路（MSI），集成度为1000个元件；70年代又发展了大规模集成电路，集成度大于1000个元件；70年代末进一步发展了超大规模集成电路（LSI），集成度在105个元件；80年代更进一步发展了特大规模集成电路，集成度比VLSI又提高了一个数量级，达到106个元件以上。这些飞跃主要集中在数字领域。

（1）自然界信号的处理：自然界的产生的信号，至少在宏观上是模拟量。高品质麦克风接收乐队声音时输出电压幅值从几微伏变化到几百微伏。视频照相机中的光电池的电流低达每毫秒几个电子。地震仪传感器产生的输出电压的范围从地球微小振动时的几微伏到强烈地震时的几百毫伏。由于所有这些信号都必须在数字领域进行多方面的处理，所以我们看到，每个这样的系统都要包含一个模一数转换器（AD，C）。

（2）数字通信：由于不同系统产生的二进制数据往往要传输很长的距离。一个高速的二进制数据流在通过一个很长的电缆后，信号会衰减和失真，为了改善通信质量，系统可以输入多电平信号，而不是二进制信号。现代通信系统中广泛采用多电平信号，这样，在发射器中需要数一模转换器（DAC）把组合的二进制数据转换为多电平信号，而在接收器中需要使用模一数转换器（ADC）以确定所传输的电平。

（3）磁盘驱动电子学计算机硬盘中的数据采用磁性原理以二进制形式存储。然而，当数据被磁头读取并转换为电信号时，为了进一步的处理，信号需要被放大、滤波和数字化。

（4）无线接收器：射频接收器的天线接收到的信号，其幅度只有几微伏，而中心频率达到几GHz。此外，信号伴随很大的干扰，因此接收器在放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害分量。这些都对模拟设计有很大的挑战性。

（5）传感器：机械的、电的和光学的传感器在我们的生活中起着重要的作用。例如，视频照相机装有一个光敏二极管阵列，以将像点转换为电流；超声系统使用声音传感器产生一个与超声波形幅度成一定比例的电压。放大、滤波和A/D转换在这些应用中都是基本的功能。

（6）微处理器和存储器：大量模拟电路设计专家参与了现代的微处理器和存储器的设计。许多涉及到大规模芯片内部或不同芯片之间的数据和时钟的分布和时序的问题要求将高速信号作为模拟波形处理。而且芯片上信号间和电源间互连中的非理想性以及封装寄生参数要求对模拟电路设计有一个完整的理解。半导体存储器广泛使用的高速/读出放大器0也不可避免地要涉及到许多模拟技术。因此人们经常说高速数字电路设计实际上是模拟电路的

设计。

2 模拟集成电路设计流程概念

在集成电路工艺发展和市场需求的推动下，系统芯片SOC和IP技术越来越成为IC业界广泛关注的焦点。随着集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，集成电路芯片的设计工作越来越复杂，因而急需在设计方法和设计工具这两方面有一个大的变革，这就是人们经常谈论的设计革命。各种计算机辅助工具及设计方法学的诞生正是为了适应这样的要求。

一方面，面市时间的压力和新的工艺技术的发展允许更高的集成度，使得设计向更高的抽象层次发展，只有这样才能解决设计复杂度越来越高的问题。数字集成电路的发展证明了这一点：它很快的从基于单元的设计发展到基于模块、IP和IP复用的

设计。

另一方面，工艺尺寸的缩短使得设计向相反的方向发展：由于物理效应对电路的影响越来越大，这就要求在设计中考虑更低层次的细节问题。器件数目的增多、信号完整性、电子迁移和功耗分析等问题的出现使得设计日益复杂。

3 模拟集成电路设计流程

3.1 模拟集成电路设计系统环境

集成电路的设计由于必须通过计算机辅助完成整个过程，所以对软件和硬件配置都有较高的要求。

（1）模拟集成电路设计EDA工具种类及其举例

设计资料库―Cadence Design Framework11

电路编辑软件―Text editor/Schematic editor

电路模拟软件―Spectre，HSPICE，Nanosim

版图编辑软件―Cadence virtuoso，Laker

物理验证软件―Diva，Dracula，Calibre，Hercules

（2）系统环境

工作站环境；Unix-Based作业系统；由于EDA软件的运行和数据的保存需要稳定的计算机环境，所以集成电路的设计通常采用Unix-Based的作业系统，如图1所示的工作站系统。现在的集成电路设计都是团队协作完成的，甚至工程师们在不同的地点进行远程协作设计。EDA软件、工作站系统的资源合理配置和数据库的有效管理将是集成电路设计得以完成的重要保障。

3.2 模拟集成电路设计流程概述

根据处理信号类型的不同，集成电路一般可以分为数字电路、模拟电路和数模混合集成电路，它们的设计方法和设计流程是不同的，在这部分和以后的章节中我们将着重讲述模拟集成电路的设计方法和流程。模拟集成电路设计是一种创造性的过程，它通过电路来实现设计目标，与电路分析刚好相反。电路的分析是一个由电路作为起点去发现其特性的过程。电路的综合或者设计则是从一套期望的性能参数开始去寻找一个令人满意的电路，对于一个设计问题，解决方案可能不是唯一的，这样就给予了设计者去创造的机会。

模拟集成电路设计包括若干个阶段，设计模拟集成电路一般的过程。

（l）系统规格定义；（2）电路设计；（3）电路模拟；（4）版图实现；（5）物理验证；（6）参数提取后仿真；（7）可靠性分析；（8）芯片制造；（9）测试。

除了制造阶段外，设计师应对其余各阶段负责。设计流程从一个设计构思开始，明确设计要求和进行综合设计。为了确认设计的正确性，设计师要应用模拟方法评估电路的性能。

这时可能要根据模拟结果对电路作进一步改进，反复进行综合和模拟。一旦电路性能的模拟结果能满足设计要求就进行另一个主要设计工作―电路的几何描述（版图设计）。版图完成并经过物理验证后需要将布局、布线形成的寄生效应考虑进去再次进行计算机模拟。如果模拟结果也满足设计要求就可以进行制造了。

3.3 模拟集成电路设计流程分述

（1）系统规格定义

这个阶段系统工程师把整个系统和其子系统看成是一个个只有输入输出关系的/黑盒子，不仅要对其中每一个进行功能定义，而且还要提出时序、功耗、面积、信噪比等性能参数的范围要求。

（2）电路设计

根据设计要求，首先要选择合适的工艺制程；然后合理的构架系统，例如并行的还是串行的，差分的还是单端的；依照架构来决定元件的组合，例如，电流镜类型还是补偿类型；根据交、直流参数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小；依环境估计负载形态和负载值。由于模拟集成电路的复杂性和变化的多样性，目前还没有EDA厂商能够提供完全解决模拟集成电路设计自动化的工具，此环节基本上通过手工计算来完成的。

（3）电路模拟

设计工程师必须确认设计是正确的，为此要基于晶体管模型，借助EDA工具进行电路性能的评估，分析。在这个阶段要依据电路仿真结果来修改晶体管参数；依制程参数的变异来确定电路工作的区间和限制；验证环境因素的变化对电路性能的影响；最后还要通过仿真结果指导下一步的版图实现，例如，版图对称性要求，电源线的宽度。

（4）版图实现

电路的设计及模拟决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代工厂进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述称为版图。这个环节就是要把设计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的版图设计。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪声、串扰、寄生效应、防门锁等对电路性能和可制造性的影响。虽然现在出现了许多高级的全定制辅助设计方法，仍然无法保证手工设计对版图布局和各种效应的考虑全面性。

（5）物理验证

版图的设计是否满足晶圆代工厂的制造可靠性需求？从电路转换到版图是否引入了新的错误？物理验证阶段将通过设计规则检查（DRC，Design Rule Cheek）和版图网表与电路原理图的比对（VLS，Layout Versus schematic）解决上述的两类验证问题。几何规则检查用于保证版图在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图网表与电路原理图的比对用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。VLS工具从版图中提取包含电气连接属性和尺寸大小的电路网表，然后与原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。

参考文献

篇5

（南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210023）

【摘　要】本文从分析集成电路设计实践教学的特点入手，对集成电路设计实验中引入研究型实践教学模式的必要性、作用分析及具体实施方法进行了具体探讨，并提出了研究型实践教学对老师、对学生的要求。

关键词 实践教学；集成电路

基金项目：南京邮电大学教改项目（JG03314JX17）。

作者简介：夏晓娟（1982—），女，南京邮电大学，副教授，从事集成电路设计领域的教学与科研工作。

随着教育改革的不断深入，随着我国电子信息技术飞速发展，迎来了空前的发展机遇。传统集成电路设计和生产流程近年来已经发生了改变，且电子产品发展迅速，集成电路设计是与最前沿科技紧密相连的一个方向，相关的课程也应与前沿科技紧密相连，课程的学习更要注重理论联系实际，培养学生的科学思维能力和分析问题解决问题的能力。因此，集成电路设计实验应在传统的实践教学方法基础上，在“研究型实践教学模式”方面进行探讨和实践。“研究型实践教学模式”是指在实践教学中指导学生将所学理论知识用于行业实际问题分析的一种实践方法，旨在培养学生创造性的运用知识、自主的发现问题、研究问题，并解决问题的能力[1-2]。

1　确立研究型实践教学模式的必要性

集成电路（Integrated Circuit，IC）产业是信息产业的基础和核心，随着我国电子信息技术飞速发展，迎来了空前的发展机遇。传统集成电路设计和生产流程近年来已经发生了改变，大多设计均采用无生产线设计，加工采用代工方式。成电路设计具有一定的特殊性，集成电路设计过程需要集成电路专业人才经过严格的实践训练并且积累一定的工程实践经验。全国集成电路设计相关企业对于人才的需要也越来越严格，越来越需要能力型的、具有创造力的人才，应聘的条件之一就是需要有集成电路设计的相关经验。作为一般理工科院校集成电路专业的发展在一定程度上缺乏对集成电路设计应用型人才培养的认识。因此，我们应该改变传统观念，树立IC设计研究型人才培养观。

集成电路设计实践主要是提供学生一个实践平台，采用先进的集成电路仿真软件，将书本上的知识采用模拟的方法进行加深理解。实践内容既是电路、模拟电子技术、数字电子技术以及课程设计中所学知识的应用，又是与最前沿科技紧密联系的。而传统的教学内容和教学模式，缺乏对学生创造力的培养，也缺乏与前沿科技的联系，因此需要进行教学改革的探讨和实践。

随着教育改革的不断深入，传统的实践教学中“以教师为中心”、“以灌输为主要方式”的教学模式已无法适应时代的要求。先进的教学模式是人才培养的关键措施。研究型教学模式，又称为研讨式教学模式，是指教师以课程内容和学生的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识、自主地发现问题、研究问题和解决问题，以学生为中心，以知识掌握为基础，以能力培养为主线，以提高素质为目的的一种新模式。集成电路设计实践同样需要采用先进的教学方式，提高学生的创新能力，培养研究型IC设计人才。

2　研究型实践教学模式的作用分析

集成电路设计实践引入研究型实践教学模式，可以使相关领域的学生真正实现学有所用，不仅学习了集成电路设计的软件知识，同时可以将课堂的理论知识通过工艺模型、电路设计、仿真方法来复现，从而更深入的理解理论知识，而且可以通过一些电路实例来解释生活中的一些现象，激发学习的兴趣。

集成电路设计是实践性很强的一个方向，要求将工艺、器件、电路、版图四个方面的理论课程融会贯通，而传统的实践教学旨在加强学生对软件的认识，忽略对理论内容的加深与贯通。通过研究型实践教学模式的开展，可以在保证教学大纲不变的前提下，通过选择适用性较强的实践内容，使学生一方面能够将各门理论课的知识加深及贯通，另一方面可以使学生接触到用人单位感兴趣的课题内容，有利于学生加强实践的动力和持续进步。通过研究型实践，对学校而言，可以培养更优秀学生；对学生而言，可以掌握前沿知识、促进就业。

研究型实践成果的实现为学生的晋升、发展提供支持。学生的实践研究成果如能公开发表或获奖，能解决实际工作中的问题，这无形中为学生在工作岗位上的晋升、发展增加筹码。这在最大程度上激发学生的实践兴趣，是其他任何实践模式都不可比拟的。同时，研究型实践教学鼓励学生多看文献、多写总结报告，这也为学生撰写本科毕业论文打下良好的基础。

3　研究型实践教学模式的具体实施

3．1　课程结构优化

指导学生接触各类资料，能够提出问题，进而解决问题以掌握知识、应用知识，完成对知识的一个探求过程；对实验内容进行适当调整和完善，使课程体系更全面更科学，更能贴近行业发展，更能体现学生的主动性。

3.2　采用课堂讨论进行专题研讨的教学方法

在研究型实践教学模式中，师生互动有助于学生对基本概念、基本理论、基本方法的理解和掌握。根据课程需要，结合国内外的研究现状和发展趋势，采用与行业内吻合的实验软件，挑选合适的电路原型做仿真设计，并共同探讨电路的优化方案。

3．3　专业资料查询能力培养

为学生提供研究资料或指导学生进行资料查询、整理，鼓励学生从图书馆、书店、网络等各种途径查阅文献资料，以充实自己的研究基础。提醒学生要对已收集的资料进行批判性的研究，去伪存真，指导学生从这些资料中总结、分析、解释与实践研究课题相关的理论、知识经验以及前人的研究成果。

3．4　指导学生撰写专题论文（报告）

在研究型实践教学过程中，指导学生通过论文、调查报告、工作研究、分析报告、可行性论证报告等形式记录实践研究成果。在撰写论文时，要求学生要了解实践课题研究报告的一般撰写格式；要先拟订论文的写作提纲，组织好论文的结构，做到纲举目张；会用简练、严谨、准确的语言表达自己的思想，不追求文章的长短。指导学生开展专题电路讨论，由学生根据自己感兴趣的课题来查找文献资料，进行研究，完成电路设计和仿真，最后完成专题论文的撰写。

3．5　鼓励学生参与课题研究

为调动学生参与科研创新活动的积极性，激发学生的创新思维，提高学生实践创新能力，鼓励学生参加老师的课题，锻炼学生的动手能力，培养“研究型”的思维模式。

4　研究型实践教学模式对教师和学生的要求

4．1　研究型实践教学模式对教师的要求

研究型实践教学模式的实施对任课教师提出了新的要求：一是要熟练地掌握课程的基础知识和内在结构，还要掌握与课程相关的专业基础知识和实践的基本技能；二是要掌握学科最新信息，不断更新知识，了解课程所涉及学科的最新动态和取得的最新研究成果；三是要熟练运用科学研究的方法和手段。这些都对教师提出了更高的要求。

4.2　研究型实践教学模式对学生的要求

研究型实践教学模式对学生的要求：一是学生要有一定的知识积累，储备了比较完备的基础知识；二是要求学生具有一定的专业知识水平，熟练掌握集成电路的一些理论知识；三是要求学生具备一定的自我控制能力和自学能力；四是要求学生具备一定的科学研究能力。在研究型教学中，学生积极参与显得尤为重要，需要充分调动学生的积极性和主动性。

参考文献

［1］黄雪梅.研究型实践教学有效实现的三个关键环节[J].理工高教研究, 2009,4,28(2):136-137.

篇6

关键词：电子科学与技术；集成电路设计；平台建设；IC产业

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）08-0270-03

国家教育部于2007年正式启动了高等学校本科教学质量与教学改革工程（简称“质量工程”），其建设的重要内容之一就是使高校培养的理工科学生具有较强的实践动手能力，更好地适应社会和市场的需求[1]。为此，我校作为全国独立学院理事单位于2007年6月通过了ISO2000：9001质量管理体系认证[2]，同时确立了“质量立校、人才强校、文化兴校”三大核心战略，深入推进内涵式发展，全面提高人才培养质量。对于质量工程采取了多方面多角度的措施：加强教学改革项目工程；鼓励参加校内学生创新项目立项，（大学生创新基金项目）；积极参加国家、省级等电子设计大赛；有针对性地对人才培养方案进行大幅度的调整，增大课程实验学时，实验学时占课程的比例从原来的15%提高到25%以上，并且对实验项目作了改进，提高综合性和设计性实验的比重；同时增加专业实践课程，强调学生的应用能力和创新能力；课程和毕业设计更注重选题来源，题目比以前具有更强的针对性，面向专业，面向本地就业市场。不仅如此，学院还建立了创业孵化中心、建立了实验中心等。通过这些有效的措施，努力提高学生的综合素质、创新和应用能力。除了学校对电子信息类专业整体进行统筹规划和建设外，各个二级学院都以“质量工程”建设为出发点和立足点，从专业工程的角度出发，努力探索各个专业新的发展思路和方向。由于集成电路设计是高校电子科学与技术、微电子学等相关专业的主要方向，因此与之相关的课程和平台建设成为该专业工程探索的重点。通过对当前国内外高校该专业方向培养方案分析，设置的课程主要强调模拟/数字电路方向，相应的课程体系为此服务，人才培养方案设置与之相对应的理论和实践教学体系；同时建立相应的实习、实践教学平台。由此，依据电子科学与技术专业的特点，结合本专业学生的层次和专业面向，同时依据本地的人才需求深度和广度，对以往的人才培养方案进行革新，建立面向中山IC产业的集成电路设计专业应用型的设计平台。另外，从课程体系出发，强化IC设计的模拟集成电路后端版图设计和验证，使学生在实践教学环节中得到实际的训练。通过这些改革既可有效地帮助学生迅速融入IC设计业，也为进入IC制造行业提高层次到新高度。

一、软件设计平台在集成电路设计业的重要性

自从1998年高等学校扩大招生以来，高校规模发展很快，在校大学生的人数比十五年前增长了10倍。高校的基础设施和设备的投入呈现不断增长的趋势，学校的办学条件不断改善，同时，各个高校对实验室的建设也在持续增大，然而在实验室建设的过程中，尽管投入的资金量在不断增大，但出现的现象是重视专业仪器和设备的投入，忽视专业设计软件的购置，这可能是由于长期以来形成的重有形实体、轻无形设计软件，然而这种意识给专业发展必将带来不利影响。对于IC专业来说，该专业主要面向集成电路的生产、测试和设计，其中集成电路设计业是最具活力、最有增长效率的一块，即使是在国际金融危机的2009年，中国的IC设计业不仅没有像半导体行业那样同比下降10%，反而逆势增长9.1%；在2010年，国际金融危机刚刚缓和，中国IC设计业的同比增速又快速攀升到45%；2011年全行业销售额为624.37亿元，2012年比2012年增长8.98%达到680.45亿元，集成电路行业不仅增长速度快，发展前景好，而且可以满足更多的高校学生就业和创业。为了满足IC设计行业的要求，必须建设该行业需求的集成电路软件设计平台。众所周知集成电路行业制造成本相对较高，这就要求设计人员在设计电路产品时尽量做到一次流片成功，而要实现这种目标需要建设电路设计验证的平台，即集成电路设计专业软件设计平台。通过软件平台可以实现：电路原理拓扑图的构建及参数仿真和优化、针对具体集成电路工艺尺寸生产线的版图设计和验证、对版图设计的实际性能进行仿真并与电路原理图仿真对照、提供给制造厂商具体的GDSII版图文件。软件平台实际上已经达到验证的目的，因此，对于集成电路设计专业的学生或工作人员来说，软件设计平台的建设特别重要，如果没有软件设计平台也就无法培养出真正的IC设计人才。因此，在培养具有专业特色的应用型人才的号召下，学院不断加大实验室建设[3]，从电子科学与技术专业角度出发，建设IC软件设计平台，为本地区域发展和行业发展服务。

二、建设面向中山本地市场IC应用平台

近年来，学校从自身建设的实际情况出发，减少因实验经费紧张带来的困境，积极推动学院集成电路设计专业方向的人才培养。教学单位根据集成电路设计的模块特点确定合适的软件设计平台，原理拓扑图的前端电路仿真采用PSPICE软件工具，熟悉电路仿真优化过程；后端采用L-EDIT版图软件工具，应用实际生产厂家的双极或CMOS工艺线来设计电路的版图，并进行版图验证。这种处理方法虽然暂时性解决前端和后端电路及版图仿真的问题，但与真正的系统设计集成电路相对出入较大，不利于形成IC的系统设计能力。2010年12月国家集成电路设计深圳产业化基地中山园区成立，该园区对集成电路设计人才的要求变得非常迫切，客观上推进了学院对IC产业的人才培养力度，建立面向中山IC产业的专业应用型设计平台变得刻不容缓[4]，同时，新的人才培养方案也应声出台，促进了具有一定深度的教学改革。

1.软件平台建设。从目前集成电路设计软件使用的广泛性和系统性来看，建设面向市场的应用平台，应该是学校所使用的与实际设计公司或其他单位的软件一致，使得所培养的IC设计人才能与将来的就业工作实现无缝对接，从而提高市场对所培养的集成电路设计人才的认可度，同时也可大大提高学生对专业设计的能力和信心[5]。遵循这个原则，选择Cadence软件作为建设平台设计软件，这不仅因为该公司是全球最大的电子设计技术、程序方案服务和设计服务供应商，EDA软件产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计，功能验证，IC综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC设计，全定制集成电路设计，IC物理验证，PCB设计和硬件仿真建模，而且通过大学计划合作，可以大幅度的降低购置软件所需资金，从而从根本上解决学校实验室建设软件费用昂贵的问题。另外，从中山乃至珠三角其他城市的IC行业中，各个单位都普遍采用该系统设计软件，而且选用该软件更有利于刚刚起步的中山集成电路设计，也更加有利于该产业的标准化和专业化，乃至进一步的发展和壮大。

2.针对中山IC产业设计。定位于面向本地产业的IC应用型人才，就必须以中山IC产业为培养特色人才的出发点。中山目前有一批集成电路代工生产和设计的公司，主要有中山市奥泰普微电子有限公司、芯成微电子公司、深电微电子科技有限公司、木林森股份有限公司等，能进行IC设计、工艺制造和测试封装，主要生产功率半导体器件和IC、应用于家电等消费电子、节能照明等。日前奥泰普公司的0.35微米先进工艺生产线预计快速投产，该单位的发展对本地IC人才需求有极大的推动力，推动学生学习微电子专业的积极性，而这些也有力地支持本地IC企业的长远发展。因此，建立面向本地集成电路产业的软件设计平台，有利于专业人才的培养、准确定位，并形成了本地优势和特色。

3.教学实践改革。为了提高人才培养质量，形成专业特色，必须对人才培养方案进行修改。在人才培养方案中通过增加实践教学环节的比例，实验项目中除了原有验证性的实验外、还增加了综合性或设计性的实验，这种变化将有助于学生从被动实验学习到主动实验的综合和设计，提高学生对知识的灵活运用和动手能力，从而为培养应用型的人才打下良好的基础。除此之外，与集成电路代工企业及芯片应用公司建立合作关系。学生在学习期间到这些单位进行在岗实习和培训，可以将所学的专业理论知识应用于实际生产当中去，形成无缝对接；而从单位招聘人才角度上来说，可以节约人力资源培训成本，招到单位真正需要的岗位人才。因此，合作双方在找到相互需求的基础上，形成有效的合作机制。①课程改革。针对独立学院培养应用型人才的特点，除了培养方案上增加多元化教育课程之外，主要是强调实践教学的改革，增加综合实验课程，如：《现代电子技术综合设计》计32学时、《微电子学综合实验》计40学时、《EDA综合实验》为32学时、《集成电路设计实验》为40学时，其相应的课程学时数从以验证性实验为主的16个学时，增加到现在32学时以上的带有综合性或设计性实验的综合实践课程。这种变化不仅是实践教学环节的课时加大，而且是实验项目的改进，也是实践综合能力的增强，有利于学生形成专业应用能力。②与单位联合的IC设计基地。IC设计基地主要立足于两个方面：一是立足于本地IC企业或设计公司；二是立足于IC代工和集成电路设计应用。前者主要利用本地资源就近的优势，学生参观、实习都比较方便，同时也有利于学校与用人单位之间的良好沟通，提高双方的认可度和赞同感。如：中山市奥泰普微电子有限公司、木林森股份有限公司等。后者从生产角度和设计应用出发，带领学生到IC代工企业参观，初步了解集成电路的生产过程，企业的架构、规划和发展远景。也可根据公司的人才需要，选派部分学生到公司在岗实习[6]。如：深圳方正微电子有限公司、广州南科集成电子有限公司等。通过这些方式不仅可以增强学生对专业知识的应用能力，而且有利于学生对IC单位的深入了解，为本校专业应用型人才找到一种行之有效的就业之路。

三、集成电路设计平台的实效性

从2002年创办电子科学与技术专业以来，学校特别重视集成电路相关的实验室建设。从初期的晶体管器件和集成块性能测量，硅片的少子寿命、C-V特性、方阻等测量，发展到探针台的芯片级的性能测试，在此期间为了满足更多的学生实验、兴趣小组和毕业设计的要求，微电子实验室的已经过三次扩张和升级，其建设规模和实验水平得到了大幅度的提升。另外，为培养本科学生集成电路的设计能力，提高应用性能力，学校还建立了集成电路CAD实验室，以电路原理图仿真设计为重点，着重应用L-Edit版图软件工具，进行基本的集成电路版图设计及验证，对提升学生集成电路设计应用能力取得了一定的效果。目前，为了大力提高本科教学质量，提升办学水平，重点对实践课程和IC软件设计平台进行了改革。学校开设了专门实践训练课程，如：集成电路设计实验。从以前的16学时课内验证设计实验提升为32学时独立的集成电路设计实验实践课程，内容从以验证为主的实验转变为以设计和综合为主的实验，整体应用设计水平进行了大幅度的提升，有利于培养学生的应用和动手能力。不仅如此，对集成电路的设计软件也进行了升级，从最初的用Pspice和Hspice软件进行电路图仿真，L-Edit软件工具的后端版图设计，升级为应用系统的专业软件平台设计工具Cadence进行前后端的设计仿真验证等，并采用开放实验室模式，使得学生的系统设计能力得到一定程度的提升，提高了系统认识和项目设计能力。通过IC系统设计软件平台的建设和实践教学课程改革，使得学生对电子科学与技术专业的性质和内容了解更加全面，对专业知识学习的深度和广度也得到进一步提高，从而增强了专业学习的兴趣，提高了自信心。此外，其他专业的学生也开始转到本专业，从事集成电路设计学习，并对集成电路流片产生浓厚的兴趣。除此之外，学生利用自己在外实践实习的机会给学校引进研究性的开发项目，这些都为本专业的发展形成很好的良性循环。在IC设计平台的影响下，本专业继续报考硕士研究生的学生特别多，约占学生比例的45%左右。经过这几年的努力，2003、2004、2005、2006级都有学生在硕士毕业后分别被保送或考上电子科技大学、华南理工大学、复旦大学、香港城市大学的博士。从这些学生的反馈意见了解到，他们对学校在IC设计平台建设评价很高，对他们进一步深造起到了很好的帮助作用。不仅如此，已经毕业在本行业工作的学生也对IC设计平台有很好的评价：通过该软件设计平台不仅熟悉了集成电路设计的工艺库、集成电路工艺流程和相应的工艺参数，而且也熟悉版图的设计，这对于从事IC代工工作起到很好的帮助作用。现在已经有多届毕业的学生在深圳方正微电子公司、中山奥泰普微电子有限公司工作。另外，还有许多学生从事集成电路应用设计工作，主要分布于中山LED照明产业等。

通过IC软件设计平台建设，配合以实践教学改革，使得学生所学理论知识和实际能力直接与市场实现无缝对接，培养了学生的创新意识和实践动手能力，增强了学生的自信心。另外，利用与企业合作的生产实习，可以使得学生得到更好的工作锻炼，为将来的工作打下良好的基础。实践证明，建设面向中山IC产业的集成电路设计实践教学平台，寻求高校与公司更紧密的新的合作模式，符合我校人才培养发展模式方向，对IC设计专业教学改革，培养满足本地区乃至整个社会的高素质应用型人才，具有特别重要的作用。

参考文献：

[1]许晓琳，易茂祥，王墨林.适应“质量工程”的IC设计实践教学平台建设[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2011，25（4）：[129-132.

[2]胡志武，金永兴，陈伟平，等.上海海事大学质量管理体系运行的回顾与思考[J].航海教育研究，2009，（1）：16-20.

[3]毛建波，易茂祥.微电子学专业实验室建设的探索与实践[J].实验室研究与探索，2005，24（12）：118-126.

[4]鞠晨鸣，徐建成.“未来工程师”能力的集中培养大平台建设[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：158-161.

[5]袁颖，董利民，张万荣.微电子技术实验教学平台的构建[J].电气电子教学学报，2009，（31）：115-117.

[6]王瑛.中低技术产业集群中企业产学研合作行为研究[J].中国科技论坛，2011，（9）：56-61.

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摘要：基于学习产出的教育（OBE）模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。近年来由我国教育部发起的卓越工程师教育培养计划、工程教育专业认证和新一轮的高等院校审核评估，都是基于OBE的工程教育模式。本文以《模拟集成电路设计》课程为例，提出并详细讨论了一种基于OBE培养模式的课程评价方法。在确定课程对专业培养标准的支撑矩阵后，给出了课程目标达成度的具体计算方法和对应的详细的教学设计。

关键词：基于学习产出的教育（OBE）；工程专业认证；课程目标达成度；培养标准

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）21-0108-02

近年来，我国高等院校的工程教育蓬勃发展。国家教育部2006年牵头正式启动全国工程教育专业认证试点工作，2010年，决定在高校中展开实施“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓工计划”）试点工作，并把通过国家工程教育认证作为卓工计划试点项目结题的必要条件。2013年，我国正式被《华盛顿协议》认可为预备会员，2016年，成为正式会员。

事实上，工程认证的内涵是“基于学习产出的教育”（OBE，Outcomes-Based Education）。目前，包括成都信息工程大学（以下简称“我校”）在内的首批61所试点高校的卓工计划试点已近收尾阶段。因此，在OBE的实现主线，即定义预期学习产出―实现预期学习产出―评估学习产出中，“评估学习产出”是目前工作的重中之重。微电子科学与工程专业是我校卓工计划试点专业，在该专业的培养方案中，《模拟集成电路设计》课程为核心必修课，在培养学生模拟集成电路设计理论知识和工程能力方面具有举足轻重的作用。本文以《模拟集成电路设计》课程为例，着重探讨如何实现课程达成度评价。本文研究对进一步深化包括卓工计划在内的工科专业的工程教育改革具有重要意义。

一、课程对培养标准的支撑矩阵

在专业人才培养方案中，每个专业都具有自己的培养标准，一般包括技术基础知识和人文素养、职业能力和态度、人际交往能力、团队工作和交流能力、复杂工程能力等多个方面。这些培养标准完全是由培养方案中的课程体系所支撑，并由此形成课程对培养标准的支撑矩阵。我校微电子科学与工程专业的《模拟集成电路设计》课程所承担的培养标准包括如“培养标准1：具有电路设计与分析、工艺分析、器件性能分析和版图设计等的基本能力”在内的共计8条，涵盖了从技术到沟通（团队合作）、到复杂工程能力等多个方面。为了便于评价每一条培养标准的达成情况，需要在课程内部所涉及的知识点、评价方式等对培养标准的支撑进行进一步分解。表1列出了《模拟集成电路设计》这门课所支撑的培养标准1对应的部分课程内容和考核方式。

由表1可见，评价培养标准1的达成方法采用了成绩分析法（考试、作业）和评分表分析法（讨论、演讲、课程设计等）相结合的方式。这是因为，我们认为，学生的电路设计与分析的基本能力不仅可以通过量化评分的方式进行考核，同时，在课程设计、讨论、演讲等具有一定主观性的考核方式中也能够较好体现。

二、课程目标达成度的评价方法

为了计算某条培养标准在该门课程的达成度，首先需要对该培养标准的达成度的计算方法进行定义。在《模拟集成电路设计》课程中，我们采用如下定义方法：

培养标准i的评价值= （1）

其中，样本班级为了保证具有统计意义，应该抽取好中差比例较为均衡的学生样本。为了保证样本抽取的客观性，我们抽取一个自然班。

依然以课程所支撑的培养标准1为例，2015-2016（2）学期能够支撑该标准的分值以及权重如表2所示：

分别对4个考核环节的该班级的所有学生计算平均分，并代入公式（1）计算，可获得培养标准1的评价值。

值得注意的是，表2中所列的各个考核环节的分值并不一定是该课程中该考核环节的总分，而应该是能够支撑该培养标准的该考核环节的分值。同时，各个考核环节的分值和权重应该总体稳定且动态优化的过程。为了保证达成度评价尽可能客观和合理，相邻两个学年的考核环节权重不应有过于剧烈的变化。

三、教学设计

为了更方便对课程所支撑的培养标准评价值进行计算，在行课前，需要精心设计教学大纲和教学活动。

1.根据所建立的培养标准与课程考核环节的支撑矩阵，合理进行教学活动。支撑矩阵应该包括课程所支撑的所有培养标准，以及每个培养标准所对应的考核方法及考核内容。在支撑关系中，难免会出现一个考核环节同时支撑多个培养标准的情况。例如，“（3）讨论”环节能够同时支撑培养标准1、3、4，其中1为相关的知识要求，3为团队合作要求，4为沟通能力要求。在具体实施过程中，需要考虑是选择利用该评价环节总的评价值同时对3个培养标准进行评价，还是进一步对该考核环节进一步分解。在我校《模拟集成电路设计》课程中，我们将“（2）讨论”环节分解为准备、汇报讨论2个步骤。其中“时浮敝秆生为了讨论所做的笔记，反映学生的知识能力。而“汇报讨论”指学生的临场发言，反映学生的团队合作和沟通能力。

2.确定每一个知识点对所对应培养标准的支撑权重，并由此指导教学过程中各知识点的学时分配。这样，在教学过程中更具有针对性，更能够把握重点。以表1中“单级放大器”课程内容为例，表3给出了一种详细的支撑权重、学时分配和教学设计。

3.合理设计每个知识点的考核方式。面向课程达成度的教学评价本身就是工程专业认证的重要一环，宗旨是通过科学、合理的课程达成度评价方式反映学生毕业要求能否达成，进一步反馈教学中的问题，指导教学内容、教学方法的持续改进，最终达到实现提高学生工程能力的最终目的。因此，课程中富有可实践性的知识点应以讨论、演讲、作业、课程设计等考核方式为牵引，采用综合运用探究式、启发式和互动式的教学方法等进行授课。

四、结束语

在工程教育背景下，以OBE培养模式作为目标导向，能够有效提高工程教育质量。培养体系中课程达成度的评价结果，作为质量反馈环节的重要数据，对教学设计、教学管理和持续改进都具有重要的指导意义。本文提出的课程达成度评价设计具有一定的普适性，对工科专业的课程达成度计算都具有重要参考意义。

参考文献：

[1]孙娜.中国高等工程教育专业认证发展现状分析及其展望[J].创新与创业教育，2016，17（1）：29-34.

[2]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

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关键词：微电子学；实验室建设；教学改革；

1微电子技术的发展背景

美国工程技术界在评出20世纪世界最伟大的20项工程技术成就中第5项——电子技术时指出：“从真空管到半导体，集成电路已成为当代各行各业智能工作的基石”。微电子技术发展已进入系统集成(SOC—SystemOnChip)的时代。集成电路作为最能体现知识经济特征的典型产品之一，已可将各种物理的、化学的和生物的敏感器(执行信息获取功能)和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能。这是一个更广义的系统集成芯片，可以认为这是微电子技术又一次革命性变革。因而势必大大地提高人们处理信息和应用信息的能力，大大地提高社会信息化的程度。集成电路产业的产值以年增长率≥15%的速度增长，集成度以年增长率46%的速率持续发展，世界上还没有一个产业能以这样的速度持续地发展。2001年以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。微电子技术、集成电路无处不在地改变着社会的生产方式和人们的生活方式。我国信息产业部门准备充分利用经济高速发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一段时间的努力，使我国成为世界上的微电子强国。为此，未来十年是我国微电子技术发展的关键时期。在2010年我国微电子行业要实现下列四个目标：

(1)微电子产业要成为国民经济发展新的重要增长点和实现关键技术的跨越。形成2950亿元的产值，占GDP的1.6%、世界市场的4%，国内市场的自给率达到30%，并且能够拉动2万多亿元电子工业产值。从而形成了500~600亿元的纯利收入。

(2)国防和国家安全急需的关键集成电路芯片能自行设计和制造。

(3)建立起能够良性循环的集成电路产业发展、科学研究和人才培养体系。

(4)微电子科学研究和产业的标志性成果达到当时的国际先进水平。

在这一背景下，随着国内外资本在微电子产业的大量投入和社会对微电子产品需求的急骤增加，社会急切地需要大量的微电子专门人才，仅上海市在21世纪的第一个十年，就需要微电子专门人才25万人左右，而目前尚不足2万人。也正是在这一背景下，1999年以来，全国高校中新开办的微电子学专业就有数十个。2002年8月教育部全国电子科学与技术专业教学指导委员会在贵阳工作会议上公布的统计数据表明，相当多的高校电子科学与技术专业都下设了微电子学方向。微电子技术人才的培养已成为各高校电子信息人才培养的重点。

2微电子学专业实验室建设的紧迫性

我国高校微电子学专业大部分由半导体器件或半导体器件物理专业转来，这些专业的设立可追溯到20世纪50年代后期。办学历史虽长，但由于多年来财力投入严重不足，而微电子技术发展迅速，国内大陆地区除极个别学校外，其实验教学条件很难满足要求。高校微电子专业实验室普遍落后的状况，已成为制约培养合格微电子专业人才的瓶颈。

四川大学微电子学专业的发展同国内其它院校一样走过了一条曲折的道路。1958年设立半导体物理方向(专门组)，在其后的40年中，专业名称几经变迁，于1998年调整为微电子学。由于社会需求强劲，1999年微电子学专业扩大招生数达90多人，是以往招生人数的2倍。当时，我校微电子学专业的办学条件与微电子学学科发展的要求形成了强烈反差：实验室设施陈旧、容量小，教学大纲中必需的集成电路设计课程和相应实验几乎是空白；按照新的教学计划，实施新课程和实验的时间紧迫，基本设施严重不足；教师结构不合理，专业课程师资缺乏。

在关系到微电子学专业能否继续生存的关键时期，学校组织专家经过反复调研、论证，及时在全校启动了“523实验室建设工程”。该工程计划在3~5年时间内，筹集2~3亿资金，集中力量创建5个适应多学科培养创新人才的综合实验基地；重点建设20个左右基础(含专业及技术基础)实验中心(室)；调整组合、合理配置、重点改造建设30个左右具有特色的专业实验室。“523实验室建设工程”的启动，是四川大学面向21世纪实验教学改革和实验室建设方面的一个重要跨越。学校将微电子学专业实验室的建设列入了“523实验室建设工程”首批重点支持项目，2000年12月开始分期拨款275万元，开始了微电子学专业实验室的建设。怎样将有限的资金用好，建设一个既符合微电子学专业发展方向，又满足本科专业培养目标要求的微电子学专业实验室成为我们学科建设的重点。

3实验室建设项目的实施

3.1整体规划和目标的确立

微电子技术的发展要求我们的实验室建设规划、实验教改方案、人才培养目标必须与其行业发展规划一致，既要脚踏实地，实事求是，又必须要有前瞻性。尤其要注意国际化人才的培养。微电子的人才培养若不能实现国际化，就不能说我们的人才培养是成功的。

基于这样的考虑，在调查研究的基础上，我们将实验室建设整体规划和目标确定为：建立国内一流的由微电子器件平面工艺与器件参数测试综合实验及超大规模集成电路芯片设计综合实验两个实验系列构成的微电子学专业实验体系，既满足微电子学专业教学大纲要求，又适应当今国际微电子技术及其教学发展需求的多功能的、开放性的微电子教学实验基地。我们的目标是：

(1)建立有特色的教学体系——微电子工艺与设计并举，强化理论基础、强化综合素质、强化能力培养。

(2)保证宽口径的同时，培养专业技能。

(3)建立开放型实验室，适应跨学科人才的培养。

(4)在全国微电子学专业的教学中具有一定的先进性。

实践中我们认识到，要实现以上目标、完成实验室建设，必须以教学体系改革、教材建设为主线开展工作。

3.2重组实验教学课程体系，培养学生的创新能力和现代工业意识

实验课程体系建设的总体思路是培养创造性人才。实验的设置要让学生成为实验的主角和与专业基础理论学习相联系的主动者，能激发学生的创造性，有专业知识纵向和横向自主扩展和创新的余地。因此该实验体系将是开放式的、有层次的和与基础课及专业基础课密切配合的。实验教学的主要内容包括必修、选修和自拟项目。我们反复认真研究了教育部制定的本科微电子学专业培养大纲及国际上对微电子学教学提出的最新基本要求。根据专业的特点，充分考虑目前国内大力发展集成电路生产线(新建线十条左右)和已成立近百家集成电路设计公司对人才的强烈需求，为新的微电子专业教学制定出由以下两个实验系列构成的微电子学专业实验体系。

(1)微电子器件平面工艺与器件参数测试综合实验。

这是微电子学教学的重要基础内容，也是我校微电子学教学中具有特色的实验课程。这一实验系列将使学生了解和初步掌握微电子器件的主要基本工艺，工艺参数的控制方法和工艺质量控制的主要检测及分析方法，深刻地了解成品率在微电子产品生产中的重要性。同时，半导体材料特性参数的测试分析系列实验是配合“半导体物理”和“半导体材料”课程而设置的基本实验，通过整合，实时地与器件工艺实验配合，虽增加了实验教学难度，却使学生身临其境直观地掌握了工艺对参数的影响、参数反馈对工艺的调整控制、了解半导体重要参数的测试方法并加深对其相关物理内涵的深刻理解。这样的综合实验，对于学生深刻树立产品成品率，可靠性和生产成本这一现代工业的重要意识是必不可少的。

(2)超大规模集成电路芯片设计综合实验。

这是微电子学教学的重点基础之一。教学目的是掌握超大规模集成电路系统设计的基本原理和规则，初步掌握先进的超大规模集成电路设计工具。该系列的必修基础实验共80学时，与之配套的讲授课程为“超大规模集成电路设计基础”。除此而外，超大规模集成电路测试分析和系统开发实验不仅是与“超大规模集成电路原理”和“电路系统”课程套配，使学生更深刻的理解和掌握集成电路的特性；同时也是与前一系列实验配合使学生具备自拟项目和独立创新的理论及实验基础。

3.3优化设施配置，争取项目最佳成效

由于项目实施的时间紧迫、资金有限。我们非常谨慎地对待每一项实施步骤。力图实现设施的优化配置，使项目产生最佳效益。最终较好地完成了集成电路设计实验体系和器件平面工艺实验体系的实施。具体内容包括：

(1)集成电路设计实验体系。集成电路设计实验室机房的建立——购买CADENCE系统软件(IC设计软件)、ZENILE集成电路设计软件；集成电路设计实验课程体系由EDA课程及实验、FPGA课程及实验、PSPICE电路模拟及实验、VHDL课程及实验、ASIC课程及实验、IC设计课程及实验等组成。

(2)器件平面工艺实验体系和相关参数测试分析实验。结合原有设备新购并完善平面工艺实验系统，包括：硼扩、磷扩、氧化、清洗、光刻、金属化等；与平面工艺同步的平面工艺参数测试，包括：方块电阻、C-V测试(高频和准静态)、I-V测试、Hall测试、膜厚测试(ELLIPSOMETRY)及其它器件参数测试(实时监控了解器件参数，反馈控制工艺参数)；器件、半导体材料物理测试设备，如载流子浓度、电阻率、少子寿命等。

(3)与实验室硬件建设配套的软件建设和环境建设。实验室环境建设、实验室岗位设置、实验课程的系统开设、向相关学院及专业提出已建实验室开放计划、制定各项管理制度。

在实验室的阶段建设中，我们分步实施、边建边用、急用优先，在建设期内就使实验室发挥出了良好的使用效益。

3.4强化管理，实行教师负责制

新的实验室必须要有全新的管理模式。新建实验室和实验课程的管理将根据专业教研室的特点，采取教研室主任和实验室主任统一协调下的教师责任制。在两大实验板块的基础上，根据实验内容的布局进一步分为4类(工艺及测试，物理测试，设计和集成电路参数测试，系统开发)进行管理。原则上，实验设施的管理及实验科目的开放由相应专业理论课的教师负责，在项目的建立阶段，将按前述的分工实施责任制，其责任的内容包括：组织设备的安装调试，设备使用规范细则的制定，实验指导书的编写等。根据专业建设的规划，在微电子实验室建设告一段落后，主管责任教师将逐步由较年青的教师接任。主管责任教师的责任包括：设备的维护和保养，使用规范和记录执行情况的监督，组织对必修和选修科目实验指导书的更新，组织实验室开放及辅导教师的安排，完善实验室开放的实施细则等。

实验课将是开放式的。结合基础实验室的开放经验和微电子专业实验的特点，要求学生在完成实验计划和熟悉了设备使用规范细则的条件下，对其全面开放。对非微电子专业学生的开放，采取提前申请，统一完成必要的基础培训后再安排实验的方式。同时将针对一些专业的特点编写与之相适应的实验教材。

4取得初步成果

微电子学专业实验室通过近3年来的建设运行，实现或超过了预期建设目标，成效显著，于2002年成功申报为&quot；四川省重点建设实验室&quot；。现将取得的初步成果介绍如下：

(1)在微电子实验室建设的促进下，为适应新条件下的实验教学，我们调整了教材的选用范围。微电子学专业主干课教材立足选用国外、国内的优秀教材，特别是国外能反映微电子学发展现状及方向的先进教材，我们已组织教师编撰了能反映国际上集成电路发展现状的《集成电路原理》，选用了最新出版教材《大规模集成电路设计》，并编撰、重写及使用了《集成电路设计基础实验》、《超大规模集成电路设计实验》、《平面工艺实验》、《微电子器件原理》、《微电子器件工艺原理》等教材。

在重编实验教材时，改掉了&quot；使用说明&quot；式的教材编写模式。力图使实验教材能配合实验教学培养目标，启发学生的想象力和创造力，尤其是诱发学生的原发性创新能力乃至创新冲动。

(2)对本科微电子学的教学计划、教学大纲和教材进行了深入研究和大幅度调整，并充分考虑了实验课与理论课的有机结合。坚持并发展了我校微电子专业在器件工艺实验上的特色和优势，通过对实验课及其内容进行整合更新，使实验更具综合性。如将过去的单一平面工艺实验与测试分析技术有机的结合，将原来相互脱节的芯片工艺、参数测试、物理测试等有机地整合在一起，以便充分模拟真实芯片工艺流程。使学生在独立制造出半导体器件的同时，能对工艺控制进行实时综合分析。

(3)引入了国际上最通用、最先进的超大规模集成电路系统设计教学软件(如CADENCE等)，使学生迅速地掌握超大规模集成电路设计的先进基本技术，激发其创造性。为了保证这一教学目的的实现，我们对

专业的整体教学计划做了与之配合的调整。在第5学期加强了电子线路系统设计(如EDA、PSPICE等)的课程和实验内容。在教学的第4学年又预留了足够的学时，作为学生进一步掌握这一工具的选修题目的综合训练。

(4)所有的实验根据专业基础课的进度分段对各年级学生随时开放。学生根据已掌握的专业理论知识和实验指导书选择实验项目，提出实验路线。鼓励学生对可提供的实验设施作自拟的整合，促进学生对实验课程的全身心的投入。

在实验成绩的评定上，不简单地看实验结果的正确与否，同时注重实验方案的合理性和创造性，注重是否能对实验现象有较敏锐的观察、分析和处理能力。

(5)通过送出去的办法，把教师和实验人员送到器件公司、设计公司培训，并积极开展了校内、校际间的进修培训。推促教师在专业基础和实验两方面交叉教学，提高了教师队伍的综合素质。

(6)将集成电路设计实验室建设成为电子信息类本科生的生产实习基地，为此，我们参加了中芯国际等公司的多项目晶圆计划。

加入了国内外EDA公司的大学计划，以利于实验室建设发展和提高教学质量，如华大公司支持微电子实验室建设，赠送人民币1100万元软件(RFIC，SOC等微电子前沿技术)已进入实验教学。

5结语

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【关键词】电子信息科学与技术微电子课程体系建设教学改革

【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開设《微电子技术基础》的意义

目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。

2.目前学科存在的问题

目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。

近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。

3.微电子课程设置

出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。

微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。

构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。

第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。

第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。

4.教学模式

目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。

教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。

教学形式：课内理论教学+课外拓展。

1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。

2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。

考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。

5.结语

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关键词：优化算法 集成电路 优化 设计

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0044-04

由于大量芯片制造技术变革，使得集成电路具有更加庞大的规模，在片上系统有更多复杂性的设计，要求芯片在进行设计时，不光有相应的集成电路知识，还要能够进行更加快捷的电路设计。在进行相应的电路设计时，需要权衡各个性能指标，将其最优性能发挥出来，使用更多目标化的领域进行电路优化，还需要权衡各个目标，保证达到最优化的同时，不会消耗各自的性能，保证各个目标间不存在恶劣影响，并互相保证最优化功能[1]。

对于系统复杂性的设计，通过对设计过程的加速，来进行相应计算机的辅助综合性分析，包括对电路进行模拟、射频等办法。数字电路能够更加简单的将不同逻辑层次进行抽离，提高电路的自动分布。模拟电路设计过程，因为种类繁多，结构差异巨大，设计需要大量的人力物力和技术指导。在一个小的芯片中，射频电路虽然占用面积小，但是设计成本和设计时间却要超出想象，其内产生的相应寄生效应，会导致电路的失真，无疑对电路优化增加阻碍。智能优化算法通过自然界的生物群体进行相关智能表现的一系列现象，并能够设计出较为基础的优化算法，并同生物一样，能够将集成电路进行更加优化的智能设计，极好的调整自我，来适应周围环境变化。有效地将智能算法在各种大范围的电路设计中进行应用，可以更好地增加电路设计效率，解决集成电路中存在的多冲突指标。还能够发挥出自身潜在特点，提供设计者相应的数据库进行电路方面的设计工作。

1 智能优化算法

人们利用自然界来认识更多的事物，并通过事物的来源进行想象和创造。智能优化算法也就是基于自然界，进行适应性启发，从而模拟进化出来的利用计算机进行表达的方法。智能优化算法具体可以包括模拟退火、禁忌搜索、群智能优化等，能够通过各种模拟自然界的相关程序，扩大搜索范围，具有较强的全局搜索特点，可以得到更为优化的解决传统问题的办法，从任何研究角度，都能提供较为新颖的解决办法。

1.1 禁忌搜索

禁忌搜索算法是通过对人类的大脑进行记忆启发的算法，具有更加广阔的搜索范围，有全局搜索的功能[2]。利用十二表法来锁住搜索区域，通过相应的禁忌准则来减少重复搜索的工作量，释放禁忌中的优良个体，具有多样性的搜索功能，减少系统陷入僵局，寻找到最适合的全局最优。

1.1.1 流程

禁忌搜索算法需要寻找到一个较为可行的点作为当前的初始解，再通过对其所在结构的函数邻域解来进行相关邻域的创建工作，随后选出一定的邻域解作为候选[3]。如果选出的候选是最优目标，测得结果比搜索出来的最优还好，就成为“超过预想状态”，可以忽略其禁忌特点，用其作为当前解，填入禁忌中，修改每任禁忌对象；如果选出的候选不是最优目标，那么这一结果就不能够出现在禁忌中，忽略禁忌中的最优解和当前解间的差异，将其填入禁忌中，改动每任紧急对象，反复搜索，直至找到“超过预想状态”。具体的禁忌算法流程见图1。

1.1.2 关键要素

完整的最优算法通常包括多种要素，当然禁忌算法也如此，这些要素都会影响紧急搜索是否能够找到最优解。十二表法主要包括禁忌表、移动与邻域、适配值函数、对象、长度、初始解、候选解、藐视、终止准则等[4]。

（1）初始解，也就是进行搜索时的最初状态，初始解是通过随机办法生成的，遇到复杂约束时，随机生成的初始解就不一定可行，因此具有很大的局限性。对于初始解的选取，在一个集成电路的设计中，占据较为重要的地位，选定合适的初始解，能够有效降低工作量，增加搜索效率和搜索质量。

（2）移动与邻域。一个生成新的最优解的过程就是所谓的移动。移动通常需要依据具体情况进行针对性的分析[5]。邻域就是利用当前所解，通过一些列的移动产生的新的最优解，领域主要视具体情况而定，而邻域结构能够高质量的保证其搜索产生的最优解，从而增加算法的效率。

（3）候选解作为当前领域解中的最优解，其范围大小通过搜索速度来确定。遇到较大规模的问题时，候选解的范围则会变大，结合邻域搜索的速度，通常只用当前解作为候选集。

（4）适配值函数类似于遗传算法中的适应度函数，主要是为了评价单个个体的优劣情况。通常适配值函数都会改变目标函数来选择，当遇到的目标函数具有较大的计算量时，需要简单的改进适应算法，只要能够将两者保持在一定范围内，就可以当做适配值函数。

（5）禁忌表作为设计禁忌对象时的特有结构，能够有效防止搜索陷入重复的死循环僵局，也能够保证算法不会拘泥在局部最优解之内[6]。而禁忌对象和长度作为紧急表中的两个主要因素，前者影响表内的变化，通常改变这些元素能够有效避免其搜索到的结果是局部最优解，可以使用状态本身，后者是适配值，当做禁忌对象；而后者则表示了禁忌表的范围。

（6）藐视准则，代表的是一种渴望与破禁的水平[7]，当移动后的解要优于最优解时，就可以进行移动，不论该结果是否存在于禁忌表之中。满足这个条件，就是藐视准则。通常情况下，这一准则就是为了预防遗失最优解而设立的。

（7）终止准则，当使用禁忌法进行搜索时，找不到最优解，也就是说搜索到的结果不能够保证是全局最优解，也不能够利用目前已知的数据进行判断，所以需要使用终止准则进行停止搜索的工作。

1.1.3 特点和应用

同智能优化的其他算法比较，禁忌优化算法能够更好的跳出思维的局限，利用全局进行搜索，并且该算法可以接受一定的差解，可以很好的进行局部搜索，又兼顾全局搜索[8]。而禁忌优化算法的缺点则是对于初始解和邻域的依赖程度较大，不能够很好的进行串行算法，降低了全局搜索的能力，多个关键性参数导致其并行算法的影响小，一旦出现不当的设置，很容易降低整体算法的计算能力。由于禁忌优化算法能够更好的解决小规模问题的优化，所以对于最短时间内解决在设计超大规模的集成电路芯片问题时，具有较多的应用，在生产、组合、电路设计、神经网络等领域应用较为广泛，并有很多函数方面的全局最优解研究，通过不断改进禁忌算法，能够拥有更加广泛的适用范围。近年来，对于模拟退火算法同禁忌优化算法结合的方案也有一定程度的研究，利用二者配合使用的混合式搜索算法，能够较好的解决相关问题，并进行算法的优化工作。

1.2 模拟退火算法

模拟退火算法是一种利用概率来接收新事物的Metropolis准则[9]。进行组合间最优解的寻找工作，主要的思想是根据固体物质在退火时，依据温度的变化，选出的最高熵值（即内部无序状态），熵值下降（即粒子逐渐出现一定的规律），通过这一过程进行温度的平衡状态，从而达到基本温度状态，也就是最低熵值（即固体内部最低内能），这一过程同寻求最优解的过程极为相似，概率论上利用退火过程进行模拟来解释相关模型。

1.2.1 流程

模拟退火算法开始于一个较高温度，随着温度的降低，呈现一种跳跃的征象，利用目标函数搜索全局，寻找全局最优解[10]。模拟退火算法可以说是一种能够进行多问题解决的优化办法，基本上能够进行全局优化。

（1）Metropolis准则，假设一个系统的自由能等于系统内能与系统温度的差值，用公式（1）代表，s是系统的熵。假设恒温系统的两个状态是i和l，使用公式（2）和（3）表示。

F=E-Ts （1）

Fi=Ei-Tsi （2）

Fl=El-Tsl （3）

通过计算可以得出，F=Fl-Fi=Ei- El-（Tsi+Tsl）=E-Ts。当系统从状态l变成状态i时，F则会小于正常，说明能量明显减少，熵值明显增加，对自身变化较大。因此，温度恒定，系统会把自身的非平衡状态转变为平衡状态，由温度决定两因素的地位。假设微粒的原始状态l是固体物质当前所处的状态，使用能量状态Ei来表示，随后利用一个抗干扰装置，随机改变微粒位置，产生了一个新的能量状态El，如果Ei

R=Exp[-（Ei- El）/kT] （4）

T代表绝对温度，k是常数，R

Pl=1/z*exp（-El/kT） （5）

Pl代表系统处于微观l的概率，而exp（-El/kT）是分布因子。当处于较高温度时，系统能够接收能量差距极大的新状态，所以，当温度处于一个较低的水平时，系统接收的新状态要求仅有极小幅度的变化，所以对于不同温度而言，具有相同的热运动原理，但是温度是零摄氏度时，任何的Ei>El均是不成立的。

（2）流程，假定初始温度是T0，初始点是X0，计算初始点的函数值是f（X0），随机产生的扰动为X，新点则变为公式（6）。计算该函数f（X1）和该函数同初始值之间存在的差异，即公式（7）。

X1=X+X （6）

f=f（X1）-f（X0） （7）

如果差异函数f低于正常，则下一次进行退火的模拟初始点可以使用新的点来代替；如果差异函数f高于正常，则需要计算新点接收的概率，即公式（8）。

P（f）=exp（-f/kT） （8）

在[0，1]区间内，伪随机产生的数s，如果P（f）低于s，则下一次进行退火的模拟初始点可以使用新的点来代替，否则需要重复Metropolis准则，直到选出合适的数值为止。

1.2.2 关键要素

（1）状态空间和邻域函数。状态空间也就是搜索空间，包括所有编码后产生的可行解。在进行候选解的创建时，需要尽可能使用原始状态函数进行创建，从而充满整个空间[11]。

（2）状态转移概率，也就是接受概率，使用Metropolis准则，在进行可行解的转化过程时，也受到T（温度参数）的影响。

（3）冷却进度表T，是从高温T0到低温冷却时进行相应管理的一个进度表。如果使用T（t）来表示温度，经典的模拟退火算法进行冷却的方式使用公式（9）表示。快速冷却法则可以用公式（10）表示。

T（t）=T0/lg（1+t） （9）

T（t）=T0/（1+t） （10）

以上两种办法都能够降低模拟退火点至全局最小。冷却进度表也说明该算法的效率，并且要想得到最佳组合，需要进行大量实验才能够得到。

（4）初始温度，如果具有较高的初始温度，那么会有较高的概率搜到高质量解，但需要更长的运算时间。对于初始温度的给定时，需要结合算法优化所消耗的时间和效率，通常有两种办法，一是利用均匀办法产生的一种状态，将每一个目标函数都设定为初始温度。另一个办法是使用任意产生的状态，利用最大目标函数进行确认，记录其差值，即max，根据差值使用某一函数作为初始温度。

（5）外循环终止准则，又叫做终止算法准则，常用准则包括设置温度终止阈值，外循环的迭代，系统熵稳定程度的判定。

（6）内循环终止准则，也就是Metropol

is准则，利用不同温度选出不同候选解，又被称为是抽样稳定性质准则，主要包含以下内容：目标函数均值是否稳定，连续若干个目标函数变化幅度，采样办法。

1.2.3 特点和应用

模拟退火算法通过概率的办法寻求全局最优解，不受初始值的影响，能够缓慢进行收敛，能够较好的进行多数据的并行、扩展和通用，使用极高的效率进行有关最优化组合问题的解。不足之处是在一定程度上，虽然能够降低程序陷入优化僵局的可能性，但在进行大范围搜索时，需要多次进行计算，从而寻找到最优解，在实际的应用中，这一缺点极大地增加了工作量，不利于优化计算效率。

作为一种较为通用的使用随机办法进行搜索的计算方法，模拟退火算法已经广泛的在机器学习、神经、生产、图象等领域进行应用，对自动设计的模拟集成电路，应用模拟退火算法进行设计，多目标进行优化设计等。

1.3 遗传算法

遗传算法是基于达尔文生物进化论有关自然选择同生物进化过程进行相关的计算所制作出来的模型，足以满足适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制。

1.3.1 流程

遗传算法优化问题解叫做个体，通常使用变量序列来表示，叫做染色体或基因串。利用简单的字符或数字表示染色体，通常使用0和1的二进制进行表示，或利用其他特殊问题进行表示，叫做编码。

遗传算法开始于种群，依据适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制，不断进行迭代进化，通过选择、交叉和变异生成新种群，从而产生最优解。遗传算法流程图如图2所示。

1.3.2 优点及应用

遗传算法依据适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制，主要优点包括以下几点。第一，不需要使用函数，就能够直接对结构对象进行有关求导的操作；第二，遗传算法整体优化不受梯度和辅助的影响，只受目标和适应度的影响；第三，使用一定概率进行变迁，不需要固定在某一区域，很好的对搜索方向进行校正和适应，从而自动获得结果；第四，遗传算法具有较强的全局搜索力。以上这些优点很好地为相对较为复杂的问题进行有关系统求解时提供了相应的框架，因此被广泛地应用在人们各个领域的生活中。

2 基于遗传算法的二级运放电路优化

利用遗传算法进行有关系统优化能够使用更少的资源来设计自动化电路优化，既降低硬件的成本又缩短设计的使用时间。利用仿真软件进行有关电路设计的优化，能够使用更加精确的模型进行优化，但是其缺点在于巨大的求解空间导致耗费时间长。所以目前有一种提法是根据电路性能进行相关遗传算法的解析，具有用时短、操作性能有所改善的优点。对于不是要求很严格的设计条件，可以使用二级运放进行电路设计，更加缩短设计时间。

2.1 二级运放的电路分析

进行有关集成电路的模拟中，使用运算放大器，能够很好的将单元模块进行高倍放大，通常情况下，使用反馈网络进行有关电路模块功能的重组。运算放大器作为一种较为重要的模拟和数模信号的系统电路模块，已经被应用到各种系统的电路设计之中，运算放大器主要包括输入差分、增益中间、缓冲输出以及电路偏置和补偿四种。基本结构如图3所示。

2.2 二级运算放大器性能指标

下面通过二级运算放大器的交流小信号模型对运放的重要性能进行分析。第一级运放为M1-5的差分运放构成，第二级运放为M6-7的共源放大器构成。二级运放等效模型如图4所示。

转换速率，又叫做压摆率，也就是说在运算放大器进行电压输出时候产生的转换速率，很好的提示运放速度。在输入端连接一个比较活跃的信号，通过运放输出测得最大上升速率。

2.3 遗传算法对电路进行优化设计

目前一种较为新颖的优化电路生成办法是在小环境范围进行有关二级运放的优化。具体编码方式包括集合染色体内的各种未知参数，使用0和1的二进制代码，代表不同的设计电路的方案。使用每个指标的性能函数相乘，得到适应度函数，从而显示出最大化目标函数和最小化目标函数。

自适应免疫遗传算法是目前较为新颖的智能优化改进算法，求解模拟相关生物学中的免疫系统，利用抗体的产生来排除抗原。自适应免疫遗传算法使用一种较为高质量的节约资源进行有关机制的克隆，对于优化解即抗体进行高概率的选择，同适应度函数有一个正比例关系。选定个体后将其复制传代，放弃本身的亲和力，也就是抗原抗体的匹配度，将优化的目标函数作为个体抗原。利用自适应免疫遗传算法，提出相应电路图的设计图案，如图5。

自适应免疫遗传算法引入生物界内免疫系统相关概念与免疫系统方法，有效提升遗传算法进行全局搜索方面的能力，并有效进行相关速度的收敛。改进后算法能够有效的克服传统算法中过早收敛的问题，以及盲目进行交叉和变异的操作，进行自适应免疫遗传算法电路的优化，如图6所示。

2.4 电路优化及仿真结果

运算放大器作为在进行电路的集成模拟过程中应用最为广泛的电路，也具有较大的功耗和时间模块，所以不同的方法设计显示出不同的电路性能。比较具有代表性的二级运算放大器的电路图如图7所示。

从图7可以看出，对于具有特定结构的功能电路，如果拥有较为合理的尺寸设计，可以得到一个较为固定的电路指标，某一性能改变会导致其他性能的变化。依据自身的电路设计经验和实际电路的设计要求，来选择合理的电路设计，虽然使用优化算法可以在设计电路时进行一定的优化，但是有关电路性能方面的解析，有关目标函数准确性模型的建立，具有一定的限制条件，需要进行更加深入的研究。

3 结语

智能优化算法在当今的很多领域内，都是重点的研究项目，该文主要针对智能优化算法的产生和发展进行阐述，并详细分析了几种较为典型的智能优化算法，其中，最具有代表性的集中算法是粒子群优化、遗传算法等。虽然该文分析和研究的是集成电路进行智能设计的更为优化的方法，但是今后对于集成电路的智能设计，还有很多问题值得进行深入研究。

参考文献

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