護(hù)“芯”使者厚積薄發(fā)
——記杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授董源

王 芳 祝傳海

董源在之江同心·海歸浙里留學(xué)人員愛國奮斗報(bào)告會上作報(bào)告

“當(dāng)電腦因長時(shí)間工作而發(fā)燙時(shí)，用風(fēng)扇或冰袋降溫是辦公室一族首先想到的‘絕招’。這種日常生活中常見的操作便是傳熱科學(xué)的一個(gè)典型應(yīng)用?！蓖ㄋ滓锥呐e例讓聽眾立刻對“傳熱”這一專業(yè)詞有了直觀理解。這樣“接地氣”的表述，是杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授董源為做好科普工作而特意采用的方式。

傳熱現(xiàn)象隨處可見，幾乎人人都可以說上兩句，但在工程技術(shù)領(lǐng)域的尖端應(yīng)用尚待專家學(xué)者的深入研究。董源就是這樣一位年輕的專家。他主要從事高端裝備智能制造、工程熱物理、半導(dǎo)體材料、人工智能、高性能計(jì)算等交叉學(xué)科研究，已在國際期刊發(fā)表《科學(xué)引文索引》（SCI）論文30余篇。

如果說讀書之于董源是“厚積”，那工作時(shí)他的研究則可視為“薄發(fā)”。通過對傳熱現(xiàn)象的研究，在半導(dǎo)體新材料（例如石墨烯）的制備、生長及性能研究和電子芯片的熱管理方面，董源的創(chuàng)意逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱嵘阅?、保護(hù)精密芯片更好運(yùn)行的“超能力”，他是半導(dǎo)體的護(hù)“芯”使者。

辯證融合推動熱質(zhì)理論發(fā)展

董源出生于1987年，如今已在傳熱學(xué)領(lǐng)域“摸爬滾打”15年之久，取得了豐碩的研究成果?；厥资嗄昵?，他在填報(bào)高考志愿的時(shí)候還是一片迷茫，只隱約覺得航天航空專業(yè)于國于民都很重要，于是他義無反顧地選擇了這條道路。

那時(shí)恰逢我國“神舟五號”發(fā)射成功，全國上下掀起航天航空熱潮。清華大學(xué)成立了航天航空學(xué)院。董源有幸成為新學(xué)院的第一批本科生且一直讀到取得博士學(xué)位。

博士階段，董源師從我國著名工程熱物理學(xué)家過增元院士，就熱質(zhì)理論-新概念熱學(xué)展開研究。2011年，他與導(dǎo)師一起圍繞熱質(zhì)理論建立了玻爾茲曼方程-聲子水動力學(xué)模型，解釋了熱質(zhì)理論的微觀基礎(chǔ)。此后，他和團(tuán)隊(duì)頗具創(chuàng)新性地將熱質(zhì)理論與非平衡熱力學(xué)、拓展非平衡熱力學(xué)理論進(jìn)行辯證融合，推動了熱質(zhì)理論在傳熱學(xué)與熱力學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)了解，基于熱質(zhì)理論還可以導(dǎo)出準(zhǔn)確預(yù)測納米系統(tǒng)導(dǎo)熱過程的宏觀模型，對研究具備多尺度精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成電路的熱管理問題具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

埋首耕耘結(jié)碩果。董源在熱質(zhì)理論方面的研究成果得到了學(xué)界的肯定：2011年他獲中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會議青年優(yōu)秀論文獎一等獎，2012年獲中國工程熱物理學(xué)會“吳仲華優(yōu)秀學(xué)生獎”等榮譽(yù)。畢業(yè)時(shí)，他的博士論文獲得了清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文一等獎，并入選斯普林格（Springer）出版社出版的世界優(yōu)秀博士論文叢書。

艱難困苦，玉汝于成?；叵肭捌诘姆e累，董源感慨萬千：“我博士階段研究的課題是微納尺度傳熱，研究成果不只可以在航空航天領(lǐng)域有所應(yīng)用。在激光技術(shù)、集成電路熱管理、新材料技術(shù)等方面也有很多重要的應(yīng)用?！倍刺峒八龉ぷ鞯囊饬x，倍感欣慰和自豪。將基礎(chǔ)原創(chuàng)科研成果應(yīng)用到事關(guān)提升我國核心領(lǐng)域競爭力的高端制造業(yè)當(dāng)中去，是他最想做也是最樂意看到的事情。值得一提的是，在不斷創(chuàng)新積累過程中，他也收獲了科學(xué)辯證的思維方法，為他之后創(chuàng)新開展科研工作埋下了堅(jiān)實(shí)伏筆。

創(chuàng)新方法提高新材料研發(fā)效率

做一名有國際化視野的青年科學(xué)工作者——這是畢業(yè)時(shí)導(dǎo)師對董源的叮嚀，它深深地印在了董源的心里。

2014年，董源前往美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校擔(dān)任研究助理教授。密蘇里大學(xué)的傳熱學(xué)研究有著悠久的歷史和良好的傳承。選擇到這里工作，董源意在開闊自己的視野。工作5年間，董源不僅參與了教學(xué)工作——指導(dǎo)本科生和研究生，而且還自己申請經(jīng)費(fèi)開展了許多科研工作，這些經(jīng)歷對他來說是一個(gè)非常好的鍛煉過程。多元的思維和開放的氛圍激發(fā)了他的創(chuàng)新思維，其間他不僅對半導(dǎo)體新材料做了一系列創(chuàng)新探索研究，而且還對其特殊結(jié)構(gòu)在電子芯片熱管理方面的應(yīng)用產(chǎn)生了一些創(chuàng)意。據(jù)此，他開創(chuàng)性地將人工智能和半導(dǎo)體新材料的設(shè)計(jì)相結(jié)合，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)和對抗生成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于半導(dǎo)體新材料的識別和自動化設(shè)計(jì)，大大縮短了新材料的研發(fā)周期。

半導(dǎo)體新材料研發(fā)難、工業(yè)化周期長，這是業(yè)界公認(rèn)的。這是由于半導(dǎo)體新材料的化學(xué)成分、摻雜比例、空間結(jié)構(gòu)、界面特征乃至制備工藝都存在大量的待定參數(shù)。在巨量的材料學(xué)變量中要找到符合要求的最佳材料，基本上完全依賴專家的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

以石墨烯為例，這種新材料具有特殊性質(zhì)，在電子芯片、能源環(huán)保、醫(yī)療健康領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，自發(fā)現(xiàn)以來備受關(guān)注。多年來，通過摻雜手段調(diào)控石墨烯的帶隙逐漸成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算手段往往只能獲取少量摻雜結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，無法全面、優(yōu)化地設(shè)計(jì)摻雜石墨烯結(jié)構(gòu)。針對這個(gè)難題，董源率先將人工智能應(yīng)用到石墨烯-氮化硼摻雜材料中，設(shè)計(jì)了一套將高通量量子化學(xué)計(jì)算與深度學(xué)習(xí)-對抗生成學(xué)習(xí)等人工智能耦合起來的方法。通過學(xué)習(xí)高通量計(jì)算得到結(jié)構(gòu)-帶隙之間的對應(yīng)關(guān)系，人工智能可以準(zhǔn)確預(yù)測出任意石墨烯-氮化硼摻雜結(jié)構(gòu)的帶隙，而通過相關(guān)技術(shù)訓(xùn)練的人工智能模型可以快速準(zhǔn)確預(yù)測材料的性能，甚至可以根據(jù)用戶的需求反向設(shè)計(jì)出符合要求的新材料，從而大大推動半導(dǎo)體新材料的研發(fā)速度。這一研究成果在國際高影響期刊上一經(jīng)發(fā)布就廣受關(guān)注，先后被中國日報(bào)網(wǎng)、《科技日報(bào)》等媒體報(bào)道。

對董源來說，這幾項(xiàng)成果不僅代表了他的研究收獲，最重要的是展示了人工智能技術(shù)在新材料研發(fā)方面的巨大潛力。這些方法不僅可以提高新材料的研發(fā)效率，為新材料的研發(fā)工作帶來新的思路和工具，還可以使科學(xué)家更好地探索和理解材料科學(xué)的本質(zhì)規(guī)律。董源最希望看到的，就是他的這些研究成果能助力我國在先進(jìn)芯片制造、航空材料、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為我國早日突破這些技術(shù)瓶頸提供強(qiáng)有力的支持。

胸懷祖國致力半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化

2019年9月底，董源歸國全職加入杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。時(shí)逢中華人民共和國成立70周年，當(dāng)飛機(jī)徐徐降落浦東國際機(jī)場，董源一抬頭就看見了飄揚(yáng)的五星紅旗。鮮艷的紅旗和機(jī)場工作人員聲聲合唱的“我和我的祖國，一刻也不能分割……”瞬間勾起了他心底深藏的家國情懷。念國恩、思家人，百感交集，董源想：是時(shí)候回歸祖國作貢獻(xiàn)了。

“杭州電子科技大學(xué)在計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體技術(shù)方面有不錯(cuò)的技術(shù)積淀，但是也有很大的上升空間。這里能夠最大程度地發(fā)揮我的價(jià)值?！被貒?，董源迅速投入教學(xué)和科研工作。他專門給本科生開設(shè)了“集成電路封裝與測試”課程，為他們講解傳熱學(xué)、電子封裝技術(shù)和新材料的交叉學(xué)科知識，帶他們了解業(yè)界最新進(jìn)展和學(xué)科前沿知識。

智能制造、工程熱物理、微納材料、高性能計(jì)算……董源目前的科研方向看起來有些龐雜，但都是圍繞著半導(dǎo)體新材料展開。他的目標(biāo)很清晰：半導(dǎo)體新材料對集成電路、低碳能源都有重要的意義，但我國在相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)備國產(chǎn)化程度較低，面臨“卡脖子”難關(guān)。而他要做的，就是利用這些多學(xué)科交叉的前沿知識，設(shè)計(jì)制造出國產(chǎn)化的裝備和生產(chǎn)線，為新一代半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)化作貢獻(xiàn)。

回國3年多以來，董源先后主持和參與科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等國家和省部級科研項(xiàng)目。研究內(nèi)容涉及集成電路熱管理技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、智能產(chǎn)線技術(shù)、半導(dǎo)體新材料技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。如今，雖然人工智能技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但它與新材料的結(jié)合研究卻依然很少。董源希望在未來5～10年，能將人工智能深入應(yīng)用于新材料設(shè)計(jì)，提升新材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速率，創(chuàng)造更多成果。

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索?！笨蒲惺且欢螞]有終點(diǎn)的旅途，董源渴望能將畢生所學(xué)奉獻(xiàn)其中。哪個(gè)領(lǐng)域國家有需要，就去哪里做研究。要腳踏實(shí)地去做對國家和社會有益的創(chuàng)新工作，哪怕只推動了一些微小的進(jìn)步，也能實(shí)現(xiàn)人生的價(jià)值——這是董源從事科研多年形成的觀念，未來他將繼續(xù)堅(jiān)定踐行下去。