后摩爾時(shí)代研究型微電子人才培養(yǎng)思考

常勝

摘要：隨著工藝的進(jìn)步，微電子科學(xué)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”并存的發(fā)展趨勢對微電子專業(yè)人才提出了更高的要求。本文對如何培養(yǎng)滿足當(dāng)下社會產(chǎn)業(yè)需求和未來專業(yè)發(fā)展需要的研究型人才，從培養(yǎng)方案頂層設(shè)計(jì)、交叉基礎(chǔ)學(xué)科知識補(bǔ)足、專業(yè)應(yīng)用能力深化、專業(yè)創(chuàng)新潛力增強(qiáng)、多元化復(fù)合型實(shí)踐體系構(gòu)建、專業(yè)視野拓展等幾方面提出了幾點(diǎn)思考，希望能對高校微電子專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提供一點(diǎn)借鑒。

關(guān)鍵詞：后摩爾時(shí)代；微電子；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0214-03

一、微電子學(xué)科的后摩爾時(shí)代

作為一個(gè)與社會經(jīng)濟(jì)生活聯(lián)系緊密的學(xué)科，發(fā)源于半導(dǎo)體物理的微電子專業(yè)聚焦于對電子器件和集成電路的研究，為整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)和信息社會從基礎(chǔ)單元層面提供著支撐。從2000年的《鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》（18號文件），到2011年的《進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》（4號文件），再到2014年的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，國家持續(xù)不斷地給予鼓勵(lì)和引導(dǎo)，使得我國的微電子集成電路產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展。

與此同時(shí)，隨著工藝尺度逐步進(jìn)入納米級范疇，硅基工藝面臨的困難不斷增多，微電子技術(shù)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)步的速度逐步放慢。2016年，國際半導(dǎo)體路線圖組織（International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS）宣布從20世紀(jì)70年代起支撐微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的摩爾定律（Moores Law）已不再適用[1]。“夕陽產(chǎn)業(yè)”的危機(jī)一時(shí)間籠罩于整個(gè)微電子領(lǐng)域之上。臨此微電子學(xué)科的后摩爾時(shí)代，如何保持長期穩(wěn)定的發(fā)展，成為微電子學(xué)科的必答題，也是高校微電子人才培養(yǎng)所必須關(guān)注的問題。

目前而言，廣受認(rèn)可的微電子學(xué)科發(fā)展趨勢可分為以下三類：“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”。其中，“More Moore”沿著現(xiàn)行道路繼續(xù)前進(jìn)，尋求對工藝尺度的進(jìn)一步縮減，盡量挖掘成熟硅工藝的潛力。這一發(fā)展趨勢的優(yōu)點(diǎn)是方法成熟，近期效果較為確定，實(shí)用性強(qiáng)。例如，Intel、IBM和三星等正在積極推進(jìn)7nm和5nm的硅工藝。其缺陷是由于硅在納米尺度下量子效應(yīng)的限制，進(jìn)一步減小工藝尺寸的前景并不樂觀，終點(diǎn)似乎就在眼前。

“More than Moore”是對現(xiàn)有主要依賴工藝進(jìn)步的道路做出審視，從器件架構(gòu)、系統(tǒng)體系等多個(gè)角度尋求改變。例如，采用多層堆疊的形式提高單位面積的器件密度，使用多核或異構(gòu)體系提升系統(tǒng)的處理能力等。這一發(fā)展趨勢在不縮減工藝尺度的情況下延續(xù)了微電子器件和系統(tǒng)性能的提升，與現(xiàn)有工藝有較好的結(jié)合且具備一定的發(fā)展空間。

“Beyond Moore”則更為激進(jìn)。徹底跳出硅材料和傳統(tǒng)MOSFET結(jié)構(gòu)的限制，采用在納米尺度下具有優(yōu)良特性的新型材料（如碳納米管、石墨烯、二硫化鉬等低維材料），開發(fā)基于新物理機(jī)理的器件（如自旋器件、量子點(diǎn)器件等），走出一條全新的道路。這一發(fā)展趨勢不確定性強(qiáng)、難度大、現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱，但其為微電子學(xué)科的發(fā)展打開了一扇全新的大門，具備著廣闊的發(fā)展空間。

二、社會需求與專業(yè)發(fā)展的并重

分析以上三條道路，其中任何一條都有著自己的優(yōu)勢和弱點(diǎn)，其相互結(jié)合并隨著學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展變革而不斷調(diào)整才是最好的發(fā)展方式。例如，立足于滿足當(dāng)下對電子信息社會發(fā)展支撐的需求，以“More Moore”為基礎(chǔ)輔以“More than Moore”的局部變革，是微電子產(chǎn)業(yè)界的主流趨勢。一方面，集成電路的主力設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)下沉，從0.18um，0.13um發(fā)展到95nm，70nm；另一方面，并行體系、異構(gòu)系統(tǒng)等新的設(shè)計(jì)思想不斷涌現(xiàn)，保證了微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展近期的穩(wěn)定性。而考慮到學(xué)科的發(fā)展和未來，推進(jìn)對“Beyond Moore”的探索則尤為重要。目前，截止頻率高達(dá)數(shù)百GHz的石墨烯場效應(yīng)管[2]、電流密度超過硅的碳納米管陣列[3]均已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了制備，微電子學(xué)科逐步過渡到“Beyond Moore”的道路已悄然顯現(xiàn)。

在此微電子學(xué)科及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史變革之期，一方面，作為與社會經(jīng)濟(jì)生活緊密結(jié)合的工科專業(yè)，微電子專業(yè)人才需要滿足“More Moore”路線下對具備現(xiàn)行硅基微電子工藝和微電子設(shè)計(jì)技術(shù)的要求，擁有較好的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力，能迅速投身到產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)之中。另一方面，面對“Beyond Moore”道路中微電子行業(yè)將來可能出現(xiàn)的原理和方法的重大變化，微電子專業(yè)人才需要掌握相關(guān)的新的科學(xué)知識及技術(shù)手段，具備適應(yīng)變化以致引領(lǐng)變化的能力，為其長遠(yuǎn)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

以上兩方面，需要使學(xué)生既能滿足社會對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用能力的需求，又要適應(yīng)專業(yè)發(fā)展對學(xué)術(shù)研究能力的提升，這兩大需求無疑對微電子專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。在當(dāng)今大力發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的背景下，各高校在滿足社會需求方面大力探索，通過校企結(jié)合[4]、分段式培養(yǎng)[5]等方式在微電子應(yīng)用型人才的培養(yǎng)上做出了很多卓有成效的工作。但對于面向以“Beyond Moore”為代表的后摩爾時(shí)代微電子學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢，建立相應(yīng)的人才培養(yǎng)機(jī)制方面則需要大力加強(qiáng)，尤其對于研究型人才的培養(yǎng)。

三、人才培養(yǎng)的幾點(diǎn)思考

針對這一問題，從以下幾點(diǎn)做出一些思考，希望能對微電子專業(yè)人才培養(yǎng)的可持續(xù)發(fā)展做出一些探索。

（一）從頂層設(shè)計(jì)上重視后摩爾時(shí)代給微電子專業(yè)帶來的變革

國家當(dāng)前正大力促進(jìn)專業(yè)認(rèn)證、專業(yè)評估等規(guī)范大學(xué)教育專業(yè)建設(shè)工作。借此時(shí)機(jī)，根據(jù)“以學(xué)生為中心，以結(jié)果為導(dǎo)向（Outcome based education，OBE）”的現(xiàn)代人才培養(yǎng)的基本原則，對人才培養(yǎng)方案由頂至底進(jìn)行全方位的梳理。樹立微電子人才滿足產(chǎn)業(yè)需求和專業(yè)發(fā)展并重的培養(yǎng)目標(biāo)；分解形成培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任感、專業(yè)知識、創(chuàng)新能力、解決復(fù)雜問題、信息應(yīng)用、溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)合作、國際化視野及終身學(xué)習(xí)等9大能力的具體畢業(yè)要求；構(gòu)架落實(shí)能力培養(yǎng)的課程體系設(shè)置矩陣；并建立效果反饋機(jī)制，確保培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

（二）補(bǔ)足交叉基礎(chǔ)學(xué)科知識

對于為微電子專業(yè)未來發(fā)展打開新大門的“Beyond Moore”，其核心在于超越硅材料和傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)的限制，涉及到了一系列交叉基礎(chǔ)學(xué)科的新的知識。而這是現(xiàn)有不少微電子專業(yè)人才培養(yǎng)中較為忽視的，必須要加以補(bǔ)足。例如，針對目前看來很有希望的碳納米管、石墨烯、硫化鉬等低維器件及電路，其新的晶體結(jié)構(gòu)體系需要學(xué)生具備較好的“固體物理”的功底，納米級的尺度帶來的量子效應(yīng)需要學(xué)生具有“量子力學(xué)”的基礎(chǔ)，而不同于硅的材料特性則需要學(xué)生掌握一定的“近代電子材料”等材料科學(xué)的知識。

（三）深化專業(yè)應(yīng)用能力的培養(yǎng)

對于以“More Moore”為主輔以“More than Moore”的現(xiàn)行業(yè)界需求，應(yīng)結(jié)合工藝的進(jìn)步和新技術(shù)的涌現(xiàn)，更新、豐富專業(yè)課程及實(shí)踐教學(xué)，深化對學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。例如，在“半導(dǎo)體器件”課程中，可在經(jīng)典長溝道MOSFET基礎(chǔ)上增添納米級器件的新效應(yīng)等內(nèi)容；在“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化”或“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”的實(shí)踐教學(xué)中，可培養(yǎng)片上系統(tǒng)、異構(gòu)系統(tǒng)等新技術(shù)的設(shè)計(jì)能力；在“射頻集成電路設(shè)計(jì)”的課程中，可深化GaN、SiGe等新型高速工藝的應(yīng)用。此外，可細(xì)化方向列出微電子材料類、單元器件類、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)類、模擬集成電路設(shè)計(jì)類、微電子系統(tǒng)應(yīng)用類等帶有一定探索性、前沿性的綜合性實(shí)驗(yàn)群，供學(xué)生分類選擇，以深化學(xué)生在某一子領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)應(yīng)用能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

（四）加強(qiáng)專業(yè)創(chuàng)新潛力的挖掘

為了使學(xué)生能適應(yīng)微電子領(lǐng)域未來的變革，以致能引領(lǐng)這一變革，創(chuàng)新潛力的培養(yǎng)是研究型人才培養(yǎng)所必不可少的。除常規(guī)課堂及實(shí)踐教學(xué)的潛移默化外，可通過多種形式展開科研活動(dòng)加以強(qiáng)化，使學(xué)生具備自我學(xué)習(xí)和自我發(fā)展的能力。例如，可搭建國家級、校級、院級多層次的大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃體系，讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生都有機(jī)會嘗試科研項(xiàng)目，體會工作流程。再如，可建立渠道使學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)入老師的科研課題組，發(fā)揮科研反哺教學(xué)的作用，讓學(xué)生在具體的科研工作中深化對所學(xué)知識和技能的掌握，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力。此外，可在獎(jiǎng)學(xué)金、評優(yōu)評先等調(diào)控手段中凸顯專業(yè)學(xué)術(shù)創(chuàng)新的比重，營造鼓勵(lì)創(chuàng)新的氛圍，培育學(xué)術(shù)創(chuàng)新的土壤。

（五）構(gòu)建多元化復(fù)合型的實(shí)踐教育體系

研究型高校培養(yǎng)的人才通常有出國學(xué)習(xí)、繼續(xù)深造和就業(yè)服務(wù)社會幾種不同的出口選擇，其實(shí)踐教育也不應(yīng)拘泥于統(tǒng)一固化的模式。本著“以學(xué)生為中心”的原則，在完成專業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)等基本實(shí)踐教學(xué)之上，對應(yīng)地提供多元化的提升型實(shí)踐途徑，使其能各取所需。例如，提供交流生機(jī)會以滿足出國學(xué)習(xí)的需求；提供校內(nèi)、外高校和科研院所的科研課題組實(shí)習(xí)機(jī)會以滿足繼續(xù)深造的需求；提供企業(yè)交流和實(shí)習(xí)的機(jī)會以滿足就業(yè)服務(wù)社會的需求?？紤]到學(xué)生發(fā)展的可塑性，這些多元化的渠道不必對學(xué)生做割裂和限定，符合條件的均可參與，從而形成復(fù)合型的教育體系，使學(xué)生能歷經(jīng)多層面的實(shí)踐培養(yǎng)，具有更為廣闊的發(fā)展空間。

（六）鼓勵(lì)專業(yè)視野的拓展

寬闊的專業(yè)視野有利于學(xué)生在后摩爾時(shí)代微電子的技術(shù)變革中把握方向，尋找適合自身專業(yè)及職業(yè)發(fā)展的道路，也是溝通表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、國際化能力的具體體現(xiàn)。拓展專業(yè)視野，可鼓勵(lì)學(xué)生多參加專業(yè)競賽，例如集成電路設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等，讓學(xué)生對書本外的知識展開探索，在競爭的環(huán)境中相互合作，與領(lǐng)域內(nèi)的同行相互交流。還可為學(xué)生多創(chuàng)造到企業(yè)實(shí)習(xí)、國外交流的機(jī)會，通過在企業(yè)中的鍛煉了解業(yè)界的需求與工作模式，通過在國外高校的進(jìn)修了解不同的教育培養(yǎng)模式，拓寬產(chǎn)業(yè)化與國際化視野。此外，發(fā)動(dòng)學(xué)生多參加學(xué)術(shù)報(bào)告等專業(yè)交流也是一個(gè)好的方法。學(xué)術(shù)報(bào)告中通常針對的是本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的最新科學(xué)和技術(shù)動(dòng)態(tài)，參加報(bào)告不僅對了解微電子領(lǐng)域的發(fā)展與變革是十分有益的，也可一覽領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者的治學(xué)風(fēng)范，樹立良好的專業(yè)態(tài)度。

四、結(jié)束語

本文針對處于變革中的后摩爾時(shí)代微電子領(lǐng)域，從培養(yǎng)方案頂層設(shè)計(jì)、交叉基礎(chǔ)學(xué)科知識補(bǔ)足、專業(yè)應(yīng)用能力深化、專業(yè)創(chuàng)新潛力增強(qiáng)、專業(yè)視野拓展等幾方面做出了思考，對如何培養(yǎng)滿足社會需求和注重專業(yè)發(fā)展的研究型微電子專門人才做出了探索。

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