微電子學科專業重新界定和培養方向

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摘要：針對目前微電子培養方案滯后于產業發展的現狀，闡述微電子學科及專業的特點，提出了專業培養方向應有所側重的應對方案，抓住芯片設計這一行業競爭關鍵因素，匹配企業對芯片人才的需求。同時，探討加強具備產業經驗的“雙師”型師資建設，并對傳統的課程設置進行梳理和根本性調整，形成方向特色，從而適應集成電路新工科的發展和產業需求。

關鍵詞：微電子學，人才培養，芯片產業

最近工信部與教育部等部門提出推進設立集成電路一級學科[1]，進一步做實做強示范性微電子學院，加快建設集成電路產教融合協同育人平臺等措施。這說明從主管部門到教育、科技和產業界，都普遍關心微電子集成電路的人才培養問題，本文就微電子學科及專業的界定、產業需求和人才培養方向提出一管之見。

1微電子學科專業的重新界定

我國微電子專業開始于1950年代，學科名稱為半導體器件與物理，這個名稱與當時半導體產業相契合。后來隨著集成電路的發展，學科名稱定為微電子學與固體電子學。之后，集成電路發展到超大規模階段，一個芯片就是一個系統，微電子學科專業的定義已經滯后于產業的發展。以芯片設計為例，產業界更需要組合型人才（系統+微電子設計），導致有些企業寧愿招聘計算機、通信、軟件等專業畢業生。但這些人員又缺乏微電子專業基礎，從事芯片設計也受專業知識不足的限制。集成電路一級學科的設立及示范性微電子學院的實施，首先要認真考慮學科和專業界定。集成電路產業鏈涉及工藝、設備、材料、封裝、設計、EDA工具、單元庫等方方面面，諸如設備和EDA工具等，與其他專業（如精密儀器、光學、機械制造和計算機等）有著更密切的聯系。因此，微電子學科方向應有所取舍，主要以微電子器件物理（含材料及相關基礎研究），集成電路工藝，集成電路設計作為二級學科。我國目前各高校的微電子專業實際上都是側重微電子器件物理性質，這一方面相對有優勢，所以可以單獨保留這個方向。另一方面，要極大地加強集成電路工藝和集成電路設計專業兩方向。此外，還要注意到集成電路工藝和芯片設計嚴格地說并不是一個專業。就像出版社和印刷廠其實是分屬兩個不同的行業和部門?，F在普遍把兩個方向混淆為一個專業，導致學生的專業學習難以深入，缺乏工藝和設計的訓練與實踐，與產業界的需求脫節。芯片行業的現狀是芯片設計公司和制造公司都是分開的，全球只有極少數幾個公司既有設計，也有制造（如Intel,Samsung），但即使這些公司，其設計和制造都有單獨的子公司運營。99%的設計公司是沒有制造的，都是委托專業的芯片制造公司進行生產。鑒于集成電路工藝和芯片設計從專業培養角度看區別極大，再考慮到高校微電子工藝實驗條件越來越跟不上產業先進的工藝（見下節），我們建議大部分微電子學科應以芯片設計為主要方向。這也是我國國民經濟發展的需要。我國近年來嚴重缺“芯”的狀況都源于設計能力的不足，芯片設計是我國微電子產業目前最需要重視的環節。因為芯片開發單位才擁有芯片的所有權，終端企業是向設計公司購買芯片而不是向加工工廠購買，加工廠只有自行開發的芯片才自行銷售。芯片設計是集成電路行業競爭的主戰場，只有具備了基本的系統設計和芯片設計能力，其他環節包括先進的工藝、設備和設計工具才起作用。長期以來，這個簡單的道理卻被忽略了。當然微電子工藝方向也重要，但由于實驗條件的限制，需采取專門的措施，集中建設少數有條件的單位，辦成與產業緊密結合、保持足夠先進性和開放性的研發中心和培訓中心。好在微電子工藝與微電子器件物理基礎教學關聯度比較大，這兩個方向可以采用相似的教學大綱，再充分利用虛擬仿真的手段，與基礎的原理性實驗部分結合，加強工藝課程的教學效果，深化對工藝原理的認識。

2實驗條件和師資建設

實驗條件和師資跟不上，是微電子專業發展的最主要的困難。工藝方向對實驗的依賴度極大，但學校早就不能承擔先進工藝線的巨額投資，現在連零頭都難以解決。目前全國高校許多工藝實驗室已經下馬，存在的也處在很初級的狀態，以至于工藝實驗就好像土槍土炮與現代化戰爭完全脫節，幾乎沒有所謂實訓的作用。當然退一步講，即使沒有實驗條件，打好微電子理論基礎，這樣的學生也可以由工廠進行實際培訓（相對于實驗補課）后使用。對于芯片設計方向，在實驗方面倒不存在資金的問題，因為設計所需的軟硬件是通用的，規范的，每個學校都有能力購買，并且大學可以有計劃利用。因此，在芯片設計工具方面，可以做到與國外大學和研究單位以及產業界接軌。這是一個有利因素。但更大的問題是沒有合格的師資。我們必須看到目前所有高校老中青教師隊伍中，很少有在先進工藝線工作過或有自己設計過芯片經歷的人。以這樣的教師授課，基本上照本宣科，效果不會好。仍以集成電路設計為例，雖然每個學校都有能力購買先進的設計工具，但真正能用好工具的卻不多。這些工具軟件都比較龐大復雜，初學者如入迷宮，只有做過設計的老師才能有效指導學生使用設計工具并完成一個具體設計。因此，要引進一批有理論、有實踐的高水平的教師，由他們培訓、帶領一大批青年教師，熟悉系統和芯片設計，并主攻大部分常用的IP和芯片，通過科研帶動教學、培養學生。這才是集成電路競爭的主戰場，高校不能回避這個主戰場。就像競技體育的主戰場必須是運動員參加各種比賽，踢足球就必須進球。初級目標可設定為培養一批熟悉集成電路設計路徑、并熟悉相關標準或算法的教師，開發常用的IP和芯片、包括一些核心的和最新算法的IP和芯片。這個階段是解決有沒有、會不會的問題，還要達到一定的量和規模。在此基礎上以創新的思維來主導IP和芯片設計，從算法、結構到具體實現都有所研究和探討，真正掌握。具有這樣能力的教師多了，我國微電子專業科研和教學水平就會大幅度提高。引進和培養高水平的芯片設計的教師，還必須在目前人事制度和評價機制方面有所創新和突破。否則教師都培養不好，何談學生。

3課程設置

由于集成電路設計實際上與所有電子信息類專業都有交集，因此微電子專業的課程設置是一個很難取舍的問題。從國際上看，這個問題都沒有解決好，沒有成功的經驗可供借鑒。我國目前微電子學科課程設置主要以公共基礎課和微電子基礎課為主，基本上還是當初半導體器件與物理專業延續下來的。這樣的課程對于培養微電子基礎方面還是可以的，但對于先進工藝和系統芯片設計人才，就越來越脫節了。以至于現在高校微電子專業招聘導師，來應聘的大多是從事材料器件物理的，而工藝和設計方向的幾乎沒有。以芯片設計為例，是否需要開設固體物理和半導體物理課？當然就更沒有必要上量子物理等高深理論課了。筆者一直想在課程設置上建議較大的改變，但阻力太大。因為很多人認為，不上這些課，就不是微電子專業了，其實不然。現在看來，這種改變勢在必行。所以本文呼吁，如果要改變中國缺“芯”狀況，微電子專業課程設置尤其是芯片設計方向，必須做根本性的調整。首先，應以系統設計為目的開設基礎課程，如通信原理、自動控制原理、信號與系統、大數據和人工智能等基本課程。讓學生理解這些基本原理，打好基礎。但這些可選課程比較多，如何取舍。另一方面這些課程也需根據芯片設計專業的需要做調整。芯片設計課程應是重頭戲。芯片設計的預備課程比較多，如硬件描述語言、EDA技術、FPGA數字系統設計等等，但這些都不是嚴格意義上的芯片設計主干課程。芯片設計主干課程應講授什么內容、怎樣教？這是一個需要認真探討的課題，并且要有專家專門做這樣的事情。本文高興地看到已有學校要求研究生有芯片設計的體驗并為之提供流片機會，這對學生來說是非常難得的學習和實踐。但學生主要靠自學摸索，只是悟性好又勤奮的學生能夠完成，而對于本科生群體設計能力的培養，還是必須有適當的主干課程和實驗來支撐。這是一個艱巨的任務，需要集思廣益[2-24]，需要有如改革開放之初教育部組織全國資源編寫教材的大動作來完成。

4結語

幾十年來，國家一直重視微電子學科的發展。一方面產業界很需要微電子人才補充，一方面我們所培養的微電子畢業生大部分都改行了。這說明了這個學科的培養方面出了根本性問題。最近清華高調宣傳的一顆AI芯片，卻是精儀專業團隊設計的。重慶郵電大學這幾年推出的TD基帶芯片和工業物聯網芯片，也與該校微電子專業沒有什么關系。這些也反證了各校微電子專業普遍存在的紙上談兵的狀況?，F在教育部和工信部比以往更重視和支持微電子專業的發展，新的一輪建設和資助已經開始，本文所思考的一些根本性問題應該得到重視。

作者：呂輝 王國裕 徐鵬 廖軍 馬軍 單位：湖北工業大學理學院 湖北工業大學芯片產業學院