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    “线上MOOC +线下入门级FPGA开发板”在ASIC设计原理教学中的应用

  • 前言:ASIC设计原理(ASIC Design Principle, ASICDP)是微电子和集成电路专业本科生的必修课,本文重点探讨和展示该课程的在线理论教学和线下实验教学的教学方法。在疫情严重的2020年春季学期,本文作者在ASICDP课程中采用了“线上MOOC +线下入门级FPGA开发板”的教学方式,完成了课程的理论教学与实验教学工作。理论教学内容完全复制了作者在“中国大学MOOC”上发布的课程《硬件加速设计方法学》(Hardware Acceleration Design Methodology, HADM),线下实验采用了邮寄作者与东南大学、XilinxSeeed Studio联合研发的入门级FPGA开发板。教学效果与学生成绩显示,该方法可用于建立在线课程和离线实验之间的链接,并培养学生数字芯片设计和FPGA原型验证的方法与技能。更为重要的是,“线上MOOC +线下入门级FPGA开发板”是一种低成本,且易复制的有效教学方法,有利于在集成电路设计课程中进行大规模推广与应用。此教学方法总结为论文“ASIC Design Principle Course with Combination of Online-MOOC and Offline-Inexpensive FPGA Board”被微电子与集成电路领域知名国际学术会议“2021 31th ACM Great Lakes Symposium on VLSI”录用,系西南交大集成电路学科首次在集成电路国际学术会议中展示教学成果。

    1.ASICDP课程信息与教学总体设计

    本案例的支持课程为《ASIC设计原理》,为微电子专业大三(下)专业必修课,理论课2学分,实验课1学分,共计64学时,选课人数57人。本课程以数字芯片设计为主要教学内容,教学过程中强烈依赖EDA开发工具与FPGA开发板,因此,如何以线上授课方式开展有效的理论教学和实验教学是一个挑战。


    1 教学总体设计思路

    如图1所示的教学设计思路,采用了如下两个核心策略:(1ASICDSP理论教学完整复制自教师自建MOOC课程《硬件加速设计方法学》,以突破时间和空间局限,实现学生随时、随地学习的目的;(2)在理论教学的实施中,针对在线学习环境中缺乏实时监督的问题,采用中国大学MOOC平台的“慕课堂”对教学过程进行管理与控制,在教学推进的过程中,以15-20分钟为间隔,通过“签到”、发放练习、问卷、讨论的方式控制课堂节奏,精确到分钟的过程控制。(3)在“Xilinx-教育部产学合作协作育人项目”的支持下,作者与东南大学、XilinxSeeed Studio联合研发的入门级FPGA开发板,该FPGA板卡通过邮寄到家的形式,为学生提供了易用且个性化的芯片设计平台。

    2MOOC课程《硬件加速设计方法学》

    2.1课程核心内容

    《硬件加速设计方法学》于201912月在“中国大学MOOC”平台上线,该课程得到了西南交通大学教务处和信息科学与技术学院的支持,实验案例得到了“Xilinx-教育部产学合作协同育人项目”的支持。如图2所示,课程内容主要包括数字芯片前端设计、逻辑综合、静态时序分析与FPGA原型验证。

    2 MOOC课程核心内容

    2.2课程特色与优势

    1)“卡脖子”技术紧缺课程

    以硬件描述语言为起点的自动化设计方法已经成为现代数字芯片的主流技术,但是,目前线上的数字芯片相关的MOOC课程聚焦与几乎已经很少使用的手工全定制方法,与工业界主流技术和趋势存在脱节。更为严峻的是,集成电路专业于2020年被教育部设置为“一级学科”,专业人才供应短缺、教学和产业实践脱节等问题日益凸显。本MOOC课程为在线开放课程中唯一一门讲授现代数字芯片自动化设计方法学的课程,可为集成电路领域培养紧缺人才,以及创新性工程人才和拔尖技术人才。

    2)课赛相长

    教学设计遵循“首要教学原理”,持续采用“课赛结合”策略以高水平学科竞赛为实践课题,引导学生聚焦芯片设计主流技术问题、激活前序课程旧知、示证新知,在竞赛中应用新知,实现融会贯通的目的,最终达成“课赛相长”。

    3)课程应用情况

    l  MOOC选课学生基本覆盖了所有国家级示范性微电子学院等知名高校本科和研究生;也包括AMDSynopsys、兆芯、安路、景略等知名芯片设计公司的工程师

    l  课程内容被用于“2020Xilinx FPGA国际暑期学校(信息技术新工科产学研联盟主办)”。该暑期学校开展时间为2020.7.20-2020.8.3,为期15天,共有全球来自172所高校的超过1200名学生学习FPGA开发技术。

    l  课程入选“中国高校计算机教育MOOC联盟”资源库

    l  课程入选Xilinx PYNQ开源框架课程体系

    3.入门级FPGA开发板

    依托“Xilinx-教育部产学合作协同育人项目”支持,授课教师与Xilinx、东南大学、Seeed共同联合研制了全球第一款低成本的轻量级物联网FPGA开发板:边缘计算加速卡(Spartan Edge Accelerator BoardSEA)。该板卡如图3所示,基于Xilinx最新的Spartan-7芯片,采用Arduino Uno版型。

    该板卡所有设计与开发资料都已在githubhttps://donesea.github.io/)和giteehttps://gitee.com/SEA-S7/SEA)上开源,并开源案例32个。学生可据此自行设计板卡。该板卡已在SEU-Xilinx暑期学校、全国大学生FPGA创新设计竞赛、清华大学电子系本科教学、复旦大学微电子学院本科教学、以及北京大学高能效计算与应用中心的科研项目中被采用,也已在美国、欧洲、日本、越南的高校与青少年教育中应用。

    3 SEA板卡

    4.教学结果展示

    2020年春季学期采用了“线上MOOC+线下SEA FPGA”的方式进行了教学实施与研究。理论课采用了线下考试的考核形式,实验课采用对学生上传的FPGA作品视频进行主观评价的考核形式。最终成绩显示,该学期成绩优于前序学期采用传统线下方式授课的成绩。

    同时,团队深入推进MOOC课程在“课赛相长”中的应用,2020年学生竞赛共获6项国家级奖项(其中全国一等奖3项),为团队学生获奖历史最好成绩。实践证明,该MOOC课程在自主学习方面优越性与便利性有效地促进了课程与竞赛之间的更好地融合,更进一步夯实了“首要教学原理”中“应用新知”与“融合贯通”两个阶段。

    5.总结与反思

    本文介绍了采用“线上MOOC +线下入门级FPGA开发板”来完成ASIC设计原理课程的教学方法,该方法充分利用了教师自建的MOOC课程,为学生提供在线理论教学和离线FPGA原型验证教学平台,建立在线课程与离线实验之间的联系。教学实践证明该方法的有效性,同时经济成本较低,易于推广和复制。


  • 发布日期: 2021-05-28  浏览: 2364