泛摩爾時代下的領(lǐng)潮者
——記上海大學(xué)微電子學(xué)院院長古元冬

衛(wèi)婷婷

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾總結(jié)道：當(dāng)價格不變時，集成電路上可以容納的元器件數(shù)目每隔約18個月便會翻番，性能也將相應(yīng)提升。這就是我們今天耳熟能詳?shù)摹澳柖伞?。這雖是一項經(jīng)驗性預(yù)測，卻在一定程度上揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度，也在過去數(shù)十年間被微電子產(chǎn)業(yè)界奉為圭臬?？梢院敛豢鋸埖卣f，“摩爾定律”是現(xiàn)代社會最重要的“定律”之一。

然而，隨著如今半導(dǎo)體器件的特征尺寸趨近物理極限，先進(jìn)制程的研發(fā)進(jìn)度已然顯著慢于“摩爾定律”的預(yù)期，關(guān)于“摩爾定律接近尾聲”的現(xiàn)實正在逐漸被行業(yè)接受。集成電路行業(yè)的發(fā)展應(yīng)該走向何方？這個問題成為懸浮在眾人頭頂上的“烏云”。就在這時，“泛摩爾”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這項通過異質(zhì)集成整合集成電路、微納系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、光電子、小芯片等為一體的技術(shù)成為智能時代下芯片的新技術(shù)生長點(diǎn)。

“科研的價值點(diǎn)必須落在產(chǎn)業(yè)上，最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)必須體現(xiàn)在社會效益及經(jīng)濟(jì)效益上?！边@是古元冬堅信的，“微電子、集成電路的科研更是如此”。因此，“如何將泛摩爾技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，使其有效地落地，實現(xiàn)有意義的研發(fā)”是領(lǐng)域里產(chǎn)、學(xué)、研多界關(guān)注的焦點(diǎn)，微電子行業(yè)下一步發(fā)展的重要方向，也是上海大學(xué)微電子學(xué)院院長古元冬及其同伴近年來孜孜不倦的努力方向。

古元冬

海納百川 呼朋引伴

2021年5月23日，上海大學(xué)嘉定校區(qū)，第一屆泛摩爾產(chǎn)業(yè)高峰論壇在此隆重舉辦。這一論壇由上海大學(xué)微電子學(xué)院主辦，傾注了古元冬及其眾多同事的智慧和期盼。

論壇吸引了來自瑞士、新加坡、日本和國內(nèi)政、產(chǎn)、學(xué)、研各領(lǐng)域逾300名嘉賓參加。中國工程院院士吳漢明、中國工程院院士余少華、瑞士工程院院士Peter Seitz、日本東北大學(xué)教授羽根一博等業(yè)界公認(rèn)的專家皆以講座、發(fā)言等各種形式參與了會議。與會者就半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑，以及如何豐富完善包括材料裝備、芯片設(shè)計、制造工藝、封裝測試、系統(tǒng)應(yīng)用等各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)生態(tài)進(jìn)行了充分的交流碰撞，呈現(xiàn)出一派百家爭鳴、百花齊放的良好學(xué)術(shù)交流氛圍。

值得一提的是，第一屆泛摩爾產(chǎn)業(yè)高峰論壇在發(fā)起之初便受到了國內(nèi)外眾多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，短時間內(nèi)便吸引了數(shù)百人踴躍報名參會，使得主辦方不得不因為疫情等因素，將會議定為線上+線下結(jié)合的形式，以此保障每一位參會人員的安全。

論壇上，古元冬作了題為“產(chǎn)教融合打造泛摩爾產(chǎn)業(yè)學(xué)院”的主旨演講，就上海大學(xué)微電子學(xué)院致力建設(shè)本碩博一體化、準(zhǔn)工業(yè)化、國際一流的學(xué)院愿景，為產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)大批高素質(zhì)、應(yīng)用型、復(fù)合型的創(chuàng)新人才的目標(biāo)等做了詳細(xì)的介紹，包括要發(fā)揮嘉定區(qū)“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，建設(shè)特色鮮明的“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)學(xué)院，建立契合產(chǎn)業(yè)需求的“四個一”（一版芯片設(shè)計、一套工藝流片、一次封裝測試、一個創(chuàng)新項目）培養(yǎng)模式，實施設(shè)計、工藝、制造、驗證、應(yīng)用系統(tǒng)全鏈條培養(yǎng)，提升學(xué)生工程實踐能力等。

“我們希望以這場會議為平臺，和業(yè)內(nèi)人士共同探討半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑，引進(jìn)該領(lǐng)域的新理念、新技術(shù)、新成果、新項目，和國內(nèi)外產(chǎn)、學(xué)兩界構(gòu)建開放、共贏的合作伙伴關(guān)系?！边@是上海嘉定在“泛摩爾時代”的發(fā)展規(guī)劃，同時也是古元冬多年來的心愿。

海納百川，有容乃大；呼朋引伴，共贏未來。站在“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)浪潮席卷的前端，古元冬和他的伙伴們正以他們特有的方式，一步一步接近未來、共創(chuàng)未來。

緣起與執(zhí)著

1958年，德州儀器公司的J.Kilby發(fā)明了第一塊集成電路（他因此獲得了2000年諾貝爾物理學(xué)獎）。當(dāng)時誰也沒想到，正是這塊簡易的集成電路，掀起了世界電子產(chǎn)業(yè)的一場革命。

遵照摩爾定律，集成電路的設(shè)計規(guī)則已經(jīng)縮小為最初的三百分之一以下，而晶體管的平均價格降低為原來的百萬分之一。上至航空航天，下至人們每天使用的智能手機(jī)、手提電腦，隨處可見芯片的影子，微電子集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)、社會、生活、國防的每一個角落。

距第一塊集成電路發(fā)明過去40年整的1998年，背上行囊的古元冬搭乘飛機(jī)前往美國明尼蘇達(dá)大學(xué)藥學(xué)院攻讀博士學(xué)位，彼時的他并沒有預(yù)料到自己有朝一日會與微電子學(xué)這一看似跟他所學(xué)風(fēng)馬牛不相及的學(xué)科結(jié)緣。在此之前，他曾先后在中南民族大學(xué)、中國藥科大學(xué)、中國科學(xué)院動物所生物膜和膜生物工程國家重點(diǎn)實驗室從事與化學(xué)和生化藥學(xué)相關(guān)的學(xué)習(xí)和研究工作，前往國外，本意是為了能夠進(jìn)一步深化該領(lǐng)域的研究。

但到明尼蘇達(dá)大學(xué)不久，古元冬便在選擇科研課題時碰到了一個艱難的抉擇，當(dāng)時他在研究與控釋給藥相關(guān)的課題。長期以來，如何準(zhǔn)確地控制藥物在人體特定器官中定時、定量地釋放，以提高藥物靶向性、給藥劑量的準(zhǔn)確性，是臨床藥學(xué)的一大難題。傳統(tǒng)的遞藥系統(tǒng)依賴于微粒大小、高分子薄膜包被等被動手段控制靶向和藥物釋放速率。這些傳統(tǒng)被動控制方案限制條件多、普適性有限?！澳懿荒苎邪l(fā)出一種通用型控制藥物釋放的芯片，以實現(xiàn)釋藥速率的主動控制，打破傳統(tǒng)遞藥系統(tǒng)面臨的局限？”腦海里產(chǎn)生的一個疑問激發(fā)了古元冬的探索欲望，當(dāng)他向?qū)熖岢鲞@一想法時，導(dǎo)師雖然支持，但也很擔(dān)心微電子等工科背景的缺失會給他帶來巨大的挑戰(zhàn)。面對這個挑戰(zhàn)，古元冬決定知難而上。

“無知者無畏”，這是古元冬給當(dāng)時的自己的評價。他當(dāng)時并不知道研發(fā)這個芯片竟然需要化學(xué)、物理、材料、微電子等多學(xué)科的綜合支撐，而這許多科目是他以往的知識結(jié)構(gòu)中所不具備的。但也正是這次勇敢挑戰(zhàn)，讓他開啟了與微電子領(lǐng)域結(jié)緣的跨界之旅。

為實現(xiàn)這一跨界，古元冬付出了常人難以想象的艱辛：每天往來奔波于學(xué)校多個專業(yè)學(xué)科的教室惡補(bǔ)專業(yè)知識。在那段“苦行僧”般的求學(xué)日子里，古元冬的腦子如同一臺不停運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器一樣，高分子物理、冶金學(xué)、固體物理學(xué)；擴(kuò)散、傳熱、布朗運(yùn)動等各種專業(yè)知識和問題時刻充斥著大腦，不曾讓他停下思考?！澳鞘亲钭屛蚁硎艿囊欢螘r光?；瘜W(xué)與微電子等學(xué)科的交匯碰撞拓寬了我的思維，就像打通任督二脈般暢快，很多科研的啟蒙都是在那時候才真正開始的。”辛苦付出換來了各個學(xué)科的融會貫通。

2001年，古元冬獲得明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。次年8月，他以“基于葡萄糖敏感型水凝膠的MEMS控釋遞藥芯片”為題順利通過博士論文答辯，并于3個月后收到了美國霍尼韋爾的聘書，成為霍尼韋爾先進(jìn)傳感器實驗室的一名高級研發(fā)工程師。

作為一家《財富》全球500強(qiáng)的高科技企業(yè)，霍尼韋爾先進(jìn)傳感器實驗室是MEMS傳感器的先驅(qū)，在傳感器領(lǐng)域?qū)儆诮鹱炙敯愕拇嬖?，匯集了來自全球頂尖高校及研究機(jī)構(gòu)的科研人員。只不過與傳統(tǒng)的科研機(jī)構(gòu)不同，它進(jìn)行的并非基礎(chǔ)科研，而是從事與產(chǎn)業(yè)相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)研究。換句話說，這里的研究內(nèi)容是由市場及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢決定的。

高端的科研團(tuán)隊里往往藏龍臥虎，古元冬便是其中的一位佼佼者。過往化學(xué)與物理兼具的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，賦予了他比別人更廣的研究視野。由于不同學(xué)科的底層原理在很多時候是有相通之處的，因此在思考很多問題的時候，古元冬憑借早年對各專業(yè)知識的掌握能夠迅速地抓住不同信息的融合之點(diǎn)，從而創(chuàng)造出更多的可能性。他也因此成為數(shù)個美國國防高新研發(fā)項目署（DARPA）重點(diǎn)項目的首席科學(xué)家和項目經(jīng)理。2010年，古元冬順利成為實驗室的一名首席科學(xué)家，主導(dǎo)實驗室在生物和化學(xué)傳感器方向的研發(fā)工作，并在國際傳感器領(lǐng)域內(nèi)打開了知名度。

研究事業(yè)的逐步攀升代表著古元冬成功適應(yīng)了在傳感器研發(fā)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，并有著不錯的研發(fā)產(chǎn)出。這給他帶來成就感的同時，卻也讓他內(nèi)心的矛盾逐漸顯現(xiàn)出來。他說，那段時間，感覺自己被困在了一個掛在高處的籠子里——高端卻不夠接地氣。實驗室從事的是最前沿的研究，其前沿程度領(lǐng)先市場十?dāng)?shù)年甚至數(shù)十年。高屋建瓴的研究成果缺乏立即商業(yè)化的特性，使得他們研發(fā)的成果如同擺在高端貨柜上延時售賣的商品，只等哪天市場的大潮卷來之時，再由外界的企業(yè)待價而沽。“這不是我希望做的研究?！惫旁f。在他的內(nèi)心深處，始終埋藏著一顆將科研成果與產(chǎn)業(yè)即時地結(jié)合起來的愿望種子。

因此，2013年，當(dāng)新加坡微電子研究院院長況頂立教授向他拋出橄欖枝的時候，考慮到新加坡在微電子領(lǐng)域科研和產(chǎn)業(yè)都有很好的基礎(chǔ)，古元冬決定接受邀請，前往新加坡開展微電子領(lǐng)域相關(guān)研究。

在新加坡的科研經(jīng)歷進(jìn)一步提高了古元冬在微電子領(lǐng)域的科研能力，同時還極大地豐富了他在整合產(chǎn)業(yè)鏈方面的實戰(zhàn)經(jīng)驗，鍛煉了他在機(jī)構(gòu)及人才管理方面的能力，使得他成功具備了將微電子領(lǐng)域研發(fā)成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的綜合能力。但即便如此，古元冬依舊沒有感到滿足：“我希望能夠?qū)⑽㈦娮宇I(lǐng)域的研發(fā)成果徹底產(chǎn)業(yè)化，希望有一天看到某個人手上拿著微電子產(chǎn)品時，我可以驕傲地指著它說‘這是我參與制造的’，這才是我心中科研的價值所在。如果做不到這一步，我會覺得我的生命不是很完整。”并且，相比在國外開展相關(guān)工作，古元冬更希望能夠為國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。因此，2018年9月，身為新加坡微電子研究院執(zhí)行副院長的古元冬放棄了在國外的發(fā)展前景，毅然回國，到位于上海市嘉定區(qū)的上海微技術(shù)工業(yè)研究院（簡稱“上海工研院”）開展與產(chǎn)業(yè)相關(guān)的科研工作，立志于以實際行動，推動我國微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

團(tuán)隊合影

邁向新征程

上海市嘉定區(qū)對于古元冬來說是一片科研的沃土。十余年來，嘉定區(qū)深耕“泛摩爾”領(lǐng)域，形成了包括材料裝備、芯片設(shè)計、制造工藝、封裝測試、系統(tǒng)應(yīng)用等各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的、較完整的“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是國內(nèi)公認(rèn)的“泛摩爾”重鎮(zhèn)。這樣的環(huán)境條件，正好給了古元冬大展拳腳的機(jī)會。

“工藝與設(shè)計要協(xié)同優(yōu)化?！被貒?，古元冬便針對我國在微電子研發(fā)領(lǐng)域，特別是泛摩爾領(lǐng)域發(fā)展存在的關(guān)鍵性問題提出了這樣的觀點(diǎn)?？v觀我國泛摩爾領(lǐng)域發(fā)展歷史，雖經(jīng)歷多年的理論研究與技術(shù)驗證，積累了大量寶貴的知識和經(jīng)驗，但真正實用的產(chǎn)品并不多。這是因為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——制造工藝不過關(guān)。以MEMS傳感器為例，由于其“非標(biāo)”的特性，造成制造難度大，對產(chǎn)線和工藝“嚴(yán)重依賴”，因此業(yè)界自嘲“一種器件、一套工藝”。而以集成電路為代表的泛摩爾領(lǐng)域的核心價值在于其“可量產(chǎn)性”，即能大批量、高一致性地生產(chǎn)，這樣才能夠為外界創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。我國在“泛摩爾”制造工藝方面的短板導(dǎo)致其“可量產(chǎn)性”滯后于國際同行。這使得產(chǎn)業(yè)落地困難重重，嚴(yán)重制約了我國“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

“這就好比蓋摩天大樓，只有設(shè)計圖紙，卻沒有建高樓的吊裝和澆灌技術(shù)是建造不出能住人的大樓的?！痹诶迩逍袠I(yè)現(xiàn)狀后，古元冬將目光投向了上海工研院的“泛摩爾”8英寸研發(fā)中試線。

上海工研院“泛摩爾”8英寸研發(fā)中試線位于上海嘉定工業(yè)區(qū)，能夠提供MEMS工藝、AlN、硅光、智能微流控和BTIT等“泛摩爾”核心技術(shù)工藝，實現(xiàn)從研發(fā)到量產(chǎn)的無縫銜接。除此之外，上海工研院的科研領(lǐng)軍人才無不具有深厚的研究能力和豐富的“泛摩爾”工藝研發(fā)經(jīng)驗，被古元冬類比為武俠小說里的“掃地僧”。因此，在上海工研院擔(dān)任CTO后，古元冬便以“泛摩爾”8英寸研發(fā)中試線為科研平臺，大力推進(jìn)微電子領(lǐng)域的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。

借助這個研發(fā)中試線，古元冬成功完成了高性能壓電氮化鋁薄膜相關(guān)工藝的研發(fā)。目前市面上所有4G/5G手機(jī)中用到的射頻濾波器，其最重要的材料之一就是氮化鋁。但在這之前，國內(nèi)缺乏開放的氮化鋁工藝平臺，古元冬及其團(tuán)隊在此領(lǐng)域所做的努力填補(bǔ)了這一空白。

微電子的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化需要的并不只有研發(fā)平臺，還有高端專業(yè)人才，這是古元冬推動微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展版圖里的另一重要部分。2019年，上海大學(xué)和上海工研院共同組建成立了上海大學(xué)微電子學(xué)院，學(xué)院位于上海市嘉定區(qū)，距離上海工研院的“泛摩爾”8英寸研發(fā)中試線約5公里，古元冬擔(dān)任院長。

上海大學(xué)微電子學(xué)院成立后，古元冬在集結(jié)師生力量方面費(fèi)盡了心力。他深知，開放的、國際化的科研環(huán)境更能夠促進(jìn)研究思路的碰撞，也有利于學(xué)生接受到不同的專業(yè)知識?！耙蚤_放的胸懷，攜世界之手，共同進(jìn)步”一直是他在做的事情。為此，他在世界各國的優(yōu)秀科研人才中廣下英雄帖，領(lǐng)域橫跨產(chǎn)、學(xué)兩界，在知名大學(xué)任職的學(xué)界資深教授，微電子領(lǐng)域龍頭企業(yè)的資深工程師、技術(shù)總監(jiān)、CTO等皆在他的邀請范圍內(nèi)。

對古元冬來說，誠邀國內(nèi)外學(xué)、產(chǎn)兩界高端人才加盟，不僅是為了推進(jìn)我國微電子領(lǐng)域研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐，同時也是為微電子學(xué)院“引產(chǎn)入教”做準(zhǔn)備。以課堂授課為主要手段的基礎(chǔ)教育缺乏在產(chǎn)業(yè)方向的應(yīng)用延伸，這也導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)業(yè)結(jié)束走向產(chǎn)業(yè)實踐的過程中需要很長一段時間來適應(yīng)。因此，古元冬打破了傳統(tǒng)學(xué)院的教育風(fēng)格，讓常年在產(chǎn)業(yè)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化一線工作過的人才來指導(dǎo)學(xué)院的碩士、博士生，同時通過和上海工研院及外界企業(yè)等的合作，使他們在實踐中將科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)緊密地結(jié)合起來，真正去了解產(chǎn)業(yè)問題，并開始嘗試如何去解決這些實際問題。

對古元冬來說，推進(jìn)微電子研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展不是在打一場單打獨(dú)斗的“游擊戰(zhàn)”，而應(yīng)該是一場持久的、有組織、有準(zhǔn)備的“集團(tuán)戰(zhàn)”。強(qiáng)化并提升“泛摩爾”8英寸研發(fā)中試線這一研發(fā)平臺和上海大學(xué)微電子學(xué)院的建立，便是他回國后為后續(xù)工作的開展所做的兩個重要鋪墊性工作?；谶@兩項工作，古元冬結(jié)合嘉定的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)、工研院和上海大學(xué)的優(yōu)勢，以及自己對微電子行業(yè)的深刻理解，為微電子學(xué)院布局了傳感器、硅光子、三維封裝、顯示器及可穿戴設(shè)備5個特色方向。

古元冬作報告

在科技發(fā)展日新月異的當(dāng)下，萬物皆可傳感、互聯(lián)。感知設(shè)備就如人的知覺一般，從味覺、視覺、嗅覺、聽覺、壓力、方向等方面感知著來自外界的刺激，進(jìn)而再將這些感知信號經(jīng)過數(shù)字化、可視化等處理，方便人們的生活。不過，隨著感知數(shù)據(jù)量日益龐大，數(shù)據(jù)的傳輸便成為日漸凸顯的“卡脖子”難題，而這也是古元冬一直致力解決的問題。將傳感器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃酒M(jìn)行三維封裝，做成一塊普通咖啡方糖大小的，如同人般可感、可聽、可說、可傳輸?shù)恼w功能模塊?！斑@是未來的發(fā)展方向。”古元冬介紹說。

除此之外，顯示器及可穿戴設(shè)備同樣也是古元冬非常關(guān)注的兩個方向。在未來，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊和新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實驗室開展密切合作，將上述通過傳感器感知、硅光子傳輸及三維封裝得到的內(nèi)容以終端顯示的形式實現(xiàn)可視化。至于可穿戴設(shè)備，正如在第一屆泛摩爾產(chǎn)業(yè)高峰論壇中瑞士工程院院士Peter Seitz所指出的，通過納米傳感技術(shù)可實現(xiàn)對人體的各項特征的實時監(jiān)測，“治未病”是未來醫(yī)療的重要發(fā)展方向。有朝一日，用微納技術(shù)制造的無創(chuàng)可穿戴汗液傳感器經(jīng)可應(yīng)用于人體多項生化指標(biāo)監(jiān)測，通過實時檢測汗液中的多種物質(zhì)，即可分辨?zhèn)魅拘约膊?、免疫系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等，將對社會產(chǎn)生巨大的作用。這是Peter Seitz院士的觀點(diǎn)，也是古元冬一直以來認(rèn)同的觀點(diǎn)。

事實上，第一屆泛摩爾產(chǎn)業(yè)高峰論壇的成果不止在學(xué)術(shù)交流領(lǐng)域。上海大學(xué)微電子學(xué)院以該場論壇為平臺，成功吸引和聚集了一批“泛摩爾”領(lǐng)域的高端人才，并和他們建立起了開放共贏的合作伙伴關(guān)系，以此推動未來上海嘉定區(qū)包括材料裝備、芯片設(shè)計、制造工藝、封裝測試、系統(tǒng)應(yīng)用等各產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的“泛摩爾”產(chǎn)業(yè)生態(tài)的豐富和完善。立足我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，搭建更多更好的平臺以吸納和培養(yǎng)更多領(lǐng)域里的高端英才，共同為中國突破芯片之圍獻(xiàn)策獻(xiàn)力，對古元冬來說，這是他在微電子領(lǐng)域以往十?dāng)?shù)年經(jīng)歷所繪就的夢想藍(lán)圖。他說：“哪怕再苦再累我也會竭盡全力?！?/p>