云计算助力集成电路专业实践教学

2015-03-24南通大学电子信息学院孙海燕玲南通大学杏林学院杨玲玲陆晓飞

电子世界 2015年23期

南通大学电子信息学院孙海燕孙玲南通大学杏林学院张威杨玲玲陆晓飞

云计算助力集成电路专业实践教学

南通大学电子信息学院孙海燕孙玲南通大学杏林学院张威杨玲玲陆晓飞

集成电路的设计、制造以及封装与测试都离不开EDA工具，因此，基于EDA工具的实践教学是高校集成电路相关专业的必备教学环节之一。受大学生集成电路设计大赛启发，结合我校EDA机房使用现状，提出利用云技术将集成电路EDA工具云端化，以充分提高教学资源的利用率，为学生课外自主学习提供平台和条件，推动集成电路专业教学方法的变革和教学质量的提高。

云计算；集成电路；电子设计自动化

0 引言

当网络中的各种硬件、软件等资源以服务的方式提供给终端用户时，该网络被称作“云”。“云”中的资源对用户而言是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用[1]。随着云技术逐渐走向成熟，云服务在各行各业中的应用越来越多，也为教育信息化建设带来了新的机遇。如何充分发挥云计算的优势，构建各种云平台以更好地进行高校的教务管理、专业资源库建设、虚拟学习等成为人们关心的热点之一[2-5]。

本文针对我校专业EDA机房使用率高，而单个软件资源利用率低的问题，结合以虚拟化为核心的云计算技术能够统一管理和调度大量用网络连接的计算资源的特点，并受2015年大学生集成电路大赛中北京华大九天软件有限公司为参赛学生提供了基于云平台的全定制集成电路设计工具的启发，在分析集成电路设计与集成系统专业特点和当代大学生群体特点的基础上，讨论构建云端EDA实践教学平台的可行性和必要性。

1 构建基于云计算的EDA实践教学平台

1.1 集成电路设计与集成系统专业特点

集成电路设计与集成系统专业是教育部根据“面向国家战略需求、面向世界科技前沿”的方针，为适应我国持续快速增长的集成电路市场对专业技术人才的需要而最新设立的电子信息类专业。2004年，我校成为全国首批具有“集成电路设计与集成系统”本科专业招生资格的院校之一，本专业侧重培养集成电路设计人才，同时为学生提供了集成电路封装、集成电路测试以及集成电路应用方面的方向选修课。

集成电路设计是一个多学科交叉、高技术密集的学科，从事集成电路设计需要的知识可以概括为：系统知识、电路知识、工艺知识和工具知识四大方面[6]。其中，不同种类的集成电路EDA工具贯穿了集成电路设计、制造、封装和测试的全过程，就集成电路设计阶段而言，集成电路设计工程师就需要根据所从事的设计任务和内容掌握不同的软件工具。例如，从事晶体管级电路设计的工程师需要掌握SPICE类电路分析工具；从事逻辑电路级设计的工程师需要掌握Verilog等硬件描述语言及相应的分析和综合工具；从事集成电路版图设计的工程师需要掌握全定制版图设计工具或自动布局布线工具等。可以说，如今的集成电路设计已经离不开EDA工具，而工具的使用在于熟能生巧，因此，在学校学习阶段，能够让学生更多地练习并熟练使用EDA工具，将为他们今后从事本专业方向工作打下扎实的基础。事实上，熟悉相关仿真软件、了解集成电路设计和流片的全流程已经成为应聘集成电路设计工程师的必备要求之一，因此，建设云端EDA平台是培养本专业领域满足社会需求的合格专业技术人才的必然要求。

1.2 当代大学生的特点

如今的大学校园，在现代信息技术熏陶下成长起来的“90”后已经成为主体，他们的心理特征、思维方式、行为习惯等都具有鲜明的时代特征[7]。传统的形式僵化、内容枯燥无味的课堂理论教学难以激发“90”后们的学习兴趣，但他们对动手实践环节却表现出极大的热情。这也是近年来我院学生报名参加各种课外训练项目、各级各类的学科竞赛以及参加集成电路设计大赛等专业赛事的人数不断增多的原因之一。基于EDA技术的集成电路专业实践课程正满足了学生这一学习需求，因此，协调好理论教学和实践教学的关系，适当提高实践教学的深度和广度，尤其是在实践教学中引入理论教学中没有涉及到的与实际应用密切相关的知识，无疑将促进学生对理论知识的掌握，提高他们解决本专业领域实际问题的能力。

此外，当代大学生们还热衷于网络化生活，智能手机、笔记本电脑、iPad等成为他们的随身之物。如果在集成电路的实践教学中能够利用云平台提供各种EDA工具，就可以改变以往学生必须到机房才能完成实验的教学模式，他们可以使用笔记本、PAD甚至手机等任何一种终端随时随地完成电路设计工作。因此，为满足当代电子信息类学生的学习需要，建设云端EDA平台势在必行。

1.3 基于EDA实践教学的应用型人才培养

近年来，EDA技术逐渐被引入到电子信息类专业人才的教学中。借助EDA工具可以克服传统电子类课程实验内容有限，实验室电子元器件品种不全、数量不足、实验电路板形式单调等不利于学生创新设计的缺点，有助于培养学生的分析设计能力和创新应用能力[8]。多年的教学实践表明，学生通过使用EDA工具，可以快速地设计出各种电子系统，能够科学系统地掌握电子系统设计方法。然而，在EDA实践教学中，我们也遇到了如下一些问题：

（1）计划内实验环节学时少，学生课外自主学习条件欠缺。我校为适应电子信息技术快速发展对专业技术人才的需要，于1999年成立了EDA实验中心。目前，中心承担了学院集成电路设计与集成系统、电子科学与技术、通信工程等多个本科专业的模拟电路SPICE仿真实验、基于FPGA的数字电路仿真实验、集成电路版图CAD等多门课程的教学任务。尽管中心对全体学生开放，但由于中心安排的教学任务较满，难以满足学生课外随时使用EDA资源的需求。另外，就单门EDA课程的而言，计划内实验学时不足以让所有学生都很好掌握EDA技术。

（2）实验内容与生产实际结合不紧密，灵活性不够。目前，大多数EDA实验内容属于基础验证型，主要是为了检验学生对理论教学的知识掌握情况。在有限的计划实验学时内，难以开展更为丰富的综合设计型实验，学生只能按照实验指导书按部就班地被动完成实验内容，部分学习上有困难的学生甚至不能在课堂上独立完成实验内容，存在囫囵吞枣，草草应付的现象。这样的实验教学没有真正达到提高学生实践创新能力的目的，也没有能够很好地发挥学生的能动性，提高他们独立分析问题、解决问题的能力。

1.4 基于云平台的EDA实践教学

近年来，我国集成电路市场持续快速增长，行业对专业技术人才的需求旺盛，但现有的集成电路专业教学模式使培养的人才难以立即适应岗位需求。为了培养受企业欢迎的毕业生，以工程实例为实践内容，让学生从原理图开始，独立完成设计、仿真甚至流片测试的集成电路设计全过程是一条行之有效的途径。而让学生熟练掌握现代电子设计方法，熟练使用各种EDA工具是重要的基础之一。如何突破现有EDA机房物理空间有限，为学生课外自主学习EDA工具提供条件，云计算的出现为构建EDA虚拟仿真平台提供了技术方案。2015年集成电路设计大赛中，北京华大九天软件有限公司通过云平台为全国部分高校参赛学生提供了全定制集成电路设计的全流程工具，为我们提供了很好的示例。通过建立校园网内的私有云，为学生提供EDA工具服务将是提高他们EDA实践能力的一种很好的尝试。