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【研究生精品课程】“ASIC设计”:校企协同,提升学术创新能力
发布于:2022年11月11日 10:08   |   作者:[研究生院] 澳门6766联合直营平台办公室   |   浏览次数:223

    每个人操作着一台房子般大小的“电脑”,背着巨大的“手机”在和远方的朋友通话,而且声音极差……设想下,芯片出现前的世界也许只能这样;但芯片的发明,让所有的功能都集中在小小的指甲盖大小的芯片里面,让所有人都能真正享受这个无线时代带来的便捷……

    信息与通信工程学院阎波教授正在讲台上引入她的研究生精品课程“ASIC设计”,娓娓道来的讲授,让上这门课的学生有一种豁然开朗的感觉。

    做项目不知道如何下手、写代码不知道bug在哪儿……初涉科研的研究生“小白”往往有这样的困惑。为了让学生们一开始就打下坚实的专业知识基础,阎波和课程组老师们探索出了“项目式教学-校企类联合-立体化培养”这样一套行之有效的教学方法。

项目式教学:培养自主学习与工程创新能力

    随着微电子技术、计算机技术与通信技术的不断发展,日趋进步和完善的ASIC设计技术逐渐成为现代电子系统设计的核心技术之一。

 “5级流水RISCV CPU的设计与验证”“基于FPGA的PPG(光电容积脉搏波描记法)心率检测仪”“可变参数全配置FIR IP核设计”“基于SoPC的AI加速器”……

     参与课程的学生小组,必须以某个具体问题为出发点,通过自主查阅资料寻求适合的解决方案,并分工、合作最终完成芯片前端设计、实现及验证等各个环节的工作。从MATLAB的算法级仿真到设计报告撰写,从硬件模块的功能与接口定义到代码的调试与仿真,小组成员们需要花费数倍、甚至数十倍于课堂内的时间,才能通过大量的课外学习和不断尝试,推进项目的进展。

  “‘先听后做’是学生生涯中的惯性思维。到了研究生阶段,理论知识和实践操作往往是螺旋形的学习轨迹,同学们要掌握‘边做边学’甚至是‘先做后学’。”阎波说。

自主学习的方式有助于进一步培养学生创新能力和工程素养。然而“ASIC设计”课程涉及到的知识面宽、发展更新快,刚入学且没有相关背景的研究生、基础相对薄弱的同学怎么学?

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研究生精品课程“ASIC设计”(MOOC)

     为了让他们能迅速补齐知识短板,课程实施了线上线下混合式教学模式。在梳理教学内容、完善教学资源的基础上,课程组建设了多个国家级在线课程资源,将行业需求与应用案例、关键技术与研究热点、解决方案与设计要素等及时、高效地引入教学体系,并综合运用研讨、项目、挑战、培训讲座等多种课程形式,淡化知识授受而加强学生探究、理解及创新能力的培养。

校企类联合:提升全球化思维与国际化视野

   “我们要让企业进入课堂,让学生始终紧跟行业前沿,保持开阔的视野。” 课程组深刻意识到优秀的企业在行业发展中能发挥引领作用,因此格外重视校企协同在育人中作用的发挥。

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多个校企联合共建基地的成立,为校企协同育人发挥了积极的作用

     多年以来,课程组始终以全球化的思维和国际化的视野,与商汤、华为、中兴、ARM、Intel(ALTERA)、AMD(Xilinx)、MENTOR GRAPHICS等多家国内外著名公司保持了长期、友好的合作关系。

     校企协作体现在平台共建。“电子科大-Intel人工智能芯片与系统联合实验室”“电子科大-商汤嵌入式人工智能联合实验室”“中科曙光-电子科大先进微处理器国家工程实验室”等多个校企联合共建基地,为教学提供了一流的可编程ASIC和SoC设计综合、仿真软件,完整覆盖了从芯片设计、仿真、验证到测试的各个环节,为学生的实践、创新能力培养提供了良好的环境。

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课程组与中国领先的通信IC设计公司中兴微电子共同开设校企联合课程

     校企协作也体现在课程共建。在学校研究生院等部门的支持下,课程组邀请到中国领先的通信IC设计公司中兴微电子有线芯片开发部负责人、技术专家等深度参与教学内容设计与全程课堂教学。

     在专门为校企合作设计的技术讲座中,中兴微电子的专家讲解了大规模先进工艺芯片的端到端设计流程和技术难点,拓展了同学们的视野,激发起大家的科研兴趣。

     针对前期收集的课程项目中的共性问题,企业技术专家精心准备了一系列指导文档,内容涵盖文档编写、代码规范、功能测试细节等多个环节,既强调设计技能的提升,又向同学们展示了工程项目中的团队协作实践。

     在抓住共性问题的基础上,企业技术专家还考虑到同学们差异化的技术基础,为大家提供了区分难度梯次的项目选题指导。

     在课堂研讨过程中,企业技术专家对同学们的项目代码与设计文档逐一点评并给予改进意见;同时结合企业实际落地需求,启发同学们对设计思路与细节进一步思考与优化,将创新思维潜移默化到学生的知识学习与项目设计过程中。此外,专家们也结合就业市场现状,对数字IC设计方向的职业生涯规划进行了讲解,帮助同学们对未来的就业规划有更清晰的认知。

     与企业专家的零距离交流,帮助学生及时汲取到行业的最新动态,有助于扩展视野、提升自信。同学们也纷纷表示,在对行业应用方向和具体需求有了更深刻理解的基础上,将以前课堂上学到的理论知识快速、高效地转化到实际项目开发与工程应用中“似乎也没有想象的那么难”。

立体化培养:学以致用,用以促学

     以问题为导向、以知识为主线,强调教学与科研互助、理论与实践并重,能够在理顺知识体系架构、高效发挥课堂教学效率的基础上,通过理论课程体系、工程实践训练、科研能力培养的渐进式多层次的学习过程,极大提高研究生的工程实践能力和学术研究能力。

     考虑到同学们有不同学科背景和知识基础情况,课程组从教学内容设计、项目选题引导、研讨节奏把控等各个环节都做了精心设计,划分了基础模块设计实践与验证、高级算法IP设计实现与验证、SoC系统搭建与软硬件协同设计验证等三个难度层次,并尽可能涵盖从前端到后端的全流程步骤、从算法到器件的各优化层次。

     对于科研基础较为薄弱的研究生,完成了这样的一门课程,等同于进行了一次老师手把手教、全程答疑的科研入门训练。

  “我们小组合作完成了ASIC设计的每一个环节,在方案设计阶段,我们需要利用MATLAB进行频谱仿真与分析以找到满足要求且适合硬件实现的滤波算法;在硬件实现阶段,我们尝试了不同IP核的设计和使用方法;在仿真验证阶段,我们开始认识到仿真验证环节的重要性以及伴随的巨大工作量。通过课程学习,我们对完整的ASIC设计流程有了直观的理解与实践,得到了老师和同学们的许多帮助,我们的硬件设计能力、文档撰写水平也更上了一层台阶。”参与课程学习后,郭伦壹同学如是说。

     教学与科研的无缝融合不仅体现在将科研项目及成果运用于教学环节,更重要的是研究生在教学过程中体现出来的创新意识和创新成果也能够反过来促进科研。

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学生项目设计

     在心率检测仪设计中,同学们需要先对输入信号进行滤波以去除干扰噪声。为了找到更准确的波峰波谷点,同学们于细节处加入了自己的创新与巧思,尝试了包括“双阈值法”在内的各种小技巧,最终获得了满意的效果。

     这种引导同学们不断尝试并深度挖掘各种“创新”思路并优化的教法,获得大家的一致点赞。

    课程组老师不仅鼓励同学们将科研项目小难题带进课堂讨论,也推动同学们积极参与各种高水平学科竞赛,如研究生电子设计大赛、FPGA创新大赛、嵌入式芯片设计大赛等,都有效激发学生学习兴趣,提高创新意识。

    部分科研题目也会作为竞赛训练的备选题库,促使学生更加关注社会实际需求、从不同层面对行业应用前景进行深入了解和积极思考。

   课程组还鼓励团队的优秀博士、硕士研究生深度参与本科教学环节,通过担任课程助教等方式锻炼研究生的组织、交流及协作能力。

课程思政:强“芯”梦迈出一小步

     全面推进课程思政建设,是落实立德树人根本任务的必然要求,是全面提高人才培养质量的重要任务。为此,阎波及其课程组在课程教授过程中,有机融入“求真求实、工程伦理、工匠精神、荣誉精神、国家意识、全球视野”等“思政”元素,进一步启迪学生的哲学思辨、科学思维、系统思维和创新思维。

     当今国际政治、经济大背景下,“芯片强国”是我国近年来的重要课题。在课程教学过程中,阎波就结合华为芯片断供事件、美国商务部“黑名单”上榜事件等,引导同学们就新时期中国芯片行业是走“自主研发之路”还是“买来主义”、“怎样才能算是芯片强国”等问题展开深入研究和探讨。

  “我们在课堂上通过观看网易科技的《中国芯片,路在何方》访谈节目,结合近年来的华为事件引发国内对芯片技术及产业发展的关注等,开展了深入的小组研讨和交流,这种形式进一步激发了大家‘芯’系祖国,为服务国家富强、民族复兴贡献力量的决定。” 信通学院余慧敏同学说。

     同学在课程中的收获也反映在评教上:“这类理论与实践相结合的课大大增强了我的项目动手能力,希望研究生阶段能再多些这样通过解决实际问题提升自主学习、系统分析及动手能力的课程!”“课程模式很好,通过真正参与实际科研项目中的问题求解,我对验证方案有了清晰的认识,每次课都有新收获!”“从未有一个时候感到科技自立自强如此重要迫切,强‘芯’责任在我,时不我待!”……

    阎波相信,教育改革的根本中心点就是学生,而自主学习能力是创新型人才培养的重要内容。以“教”为中心向以“学”为中心的转变不是一朝一夕的事情,只有在“莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行”的坚守中,始终坚持“教书”和“育人”相统一,才能最终达到“潇潇有雨声,润物细无声”的育人效果。