微电子学科专业重新界定和培养方向

摘要：针对目前微电子培养方案滞后于产业发展的现状，阐述微电子学科及专业的特点，提出了专业培养方向应有所侧重的应对方案，抓住芯片设计这一行业竞争关键因素，匹配企业对芯片人才的需求。同时，探讨加强具备产业经验的“双师”型师资建设，并对传统的课程设置进行梳理和根本性调整，形成方向特色，从而适应集成电路新工科的发展和产业需求。

关键词：微电子学，人才培养，芯片产业

最近工信部与教育部等部门提出推进设立集成电路一级学科[1]，进一步做实做强示范性微电子学院，加快建设集成电路产教融合协同育人平台等措施。这说明从主管部门到教育、科技和产业界，都普遍关心微电子集成电路的人才培养问题，本文就微电子学科及专业的界定、产业需求和人才培养方向提出一管之见。

1微电子学科专业的重新界定

我国微电子专业开始于1950年代，学科名称为半导体器件与物理，这个名称与当时半导体产业相契合。后来随着集成电路的发展，学科名称定为微电子学与固体电子学。之后，集成电路发展到超大规模阶段，一个芯片就是一个系统，微电子学科专业的定义已经滞后于产业的发展。以芯片设计为例，产业界更需要组合型人才（系统+微电子设计），导致有些企业宁愿招聘计算机、通信、软件等专业毕业生。但这些人员又缺乏微电子专业基础，从事芯片设计也受专业知识不足的限制。集成电路一级学科的设立及示范性微电子学院的实施，首先要认真考虑学科和专业界定。集成电路产业链涉及工艺、设备、材料、封装、设计、EDA工具、单元库等方方面面，诸如设备和EDA工具等，与其他专业（如精密仪器、光学、机械制造和计算机等）有着更密切的联系。因此，微电子学科方向应有所取舍，主要以微电子器件物理（含材料及相关基础研究），集成电路工艺，集成电路设计作为二级学科。我国目前各高校的微电子专业实际上都是侧重微电子器件物理性质，这一方面相对有优势，所以可以单独保留这个方向。另一方面，要极大地加强集成电路工艺和集成电路设计专业两方向。此外，还要注意到集成电路工艺和芯片设计严格地说并不是一个专业。就像出版社和印刷厂其实是分属两个不同的行业和部门。现在普遍把两个方向混淆为一个专业，导致学生的专业学习难以深入，缺乏工艺和设计的训练与实践，与产业界的需求脱节。芯片行业的现状是芯片设计公司和制造公司都是分开的，全球只有极少数几个公司既有设计，也有制造（如Intel,Samsung），但即使这些公司，其设计和制造都有单独的子公司运营。99%的设计公司是没有制造的，都是委托专业的芯片制造公司进行生产。鉴于集成电路工艺和芯片设计从专业培养角度看区别极大，再考虑到高校微电子工艺实验条件越来越跟不上产业先进的工艺（见下节），我们建议大部分微电子学科应以芯片设计为主要方向。这也是我国国民经济发展的需要。我国近年来严重缺“芯”的状况都源于设计能力的不足，芯片设计是我国微电子产业目前最需要重视的环节。因为芯片开发单位才拥有芯片的所有权，终端企业是向设计公司购买芯片而不是向加工工厂购买，加工厂只有自行开发的芯片才自行销售。芯片设计是集成电路行业竞争的主战场，只有具备了基本的系统设计和芯片设计能力，其他环节包括先进的工艺、设备和设计工具才起作用。长期以来，这个简单的道理却被忽略了。当然微电子工艺方向也重要，但由于实验条件的限制，需采取专门的措施，集中建设少数有条件的单位，办成与产业紧密结合、保持足够先进性和开放性的研发中心和培训中心。好在微电子工艺与微电子器件物理基础教学关联度比较大，这两个方向可以采用相似的教学大纲，再充分利用虚拟仿真的手段，与基础的原理性实验部分结合，加强工艺课程的教学效果，深化对工艺原理的认识。

2实验条件和师资建设

实验条件和师资跟不上，是微电子专业发展的最主要的困难。工艺方向对实验的依赖度极大，但学校早就不能承担先进工艺线的巨额投资，现在连零头都难以解决。目前全国高校许多工艺实验室已经下马，存在的也处在很初级的状态，以至于工艺实验就好像土枪土炮与现代化战争完全脱节，几乎没有所谓实训的作用。当然退一步讲，即使没有实验条件，打好微电子理论基础，这样的学生也可以由工厂进行实际培训（相对于实验补课）后使用。对于芯片设计方向，在实验方面倒不存在资金的问题，因为设计所需的软硬件是通用的，规范的，每个学校都有能力购买，并且大学可以有计划利用。因此，在芯片设计工具方面，可以做到与国外大学和研究单位以及产业界接轨。这是一个有利因素。但更大的问题是没有合格的师资。我们必须看到目前所有高校老中青教师队伍中，很少有在先进工艺线工作过或有自己设计过芯片经历的人。以这样的教师授课，基本上照本宣科，效果不会好。仍以集成电路设计为例，虽然每个学校都有能力购买先进的设计工具，但真正能用好工具的却不多。这些工具软件都比较庞大复杂，初学者如入迷宫，只有做过设计的老师才能有效指导学生使用设计工具并完成一个具体设计。因此，要引进一批有理论、有实践的高水平的教师，由他们培训、带领一大批青年教师，熟悉系统和芯片设计，并主攻大部分常用的IP和芯片，通过科研带动教学、培养学生。这才是集成电路竞争的主战场，高校不能回避这个主战场。就像竞技体育的主战场必须是运动员参加各种比赛，踢足球就必须进球。初级目标可设定为培养一批熟悉集成电路设计路径、并熟悉相关标准或算法的教师，开发常用的IP和芯片、包括一些核心的和最新算法的IP和芯片。这个阶段是解决有没有、会不会的问题，还要达到一定的量和规模。在此基础上以创新的思维来主导IP和芯片设计，从算法、结构到具体实现都有所研究和探讨，真正掌握。具有这样能力的教师多了，我国微电子专业科研和教学水平就会大幅度提高。引进和培养高水平的芯片设计的教师，还必须在目前人事制度和评价机制方面有所创新和突破。否则教师都培养不好，何谈学生。

3课程设置

由于集成电路设计实际上与所有电子信息类专业都有交集，因此微电子专业的课程设置是一个很难取舍的问题。从国际上看，这个问题都没有解决好，没有成功的经验可供借鉴。我国目前微电子学科课程设置主要以公共基础课和微电子基础课为主，基本上还是当初半导体器件与物理专业延续下来的。这样的课程对于培养微电子基础方面还是可以的，但对于先进工艺和系统芯片设计人才，就越来越脱节了。以至于现在高校微电子专业招聘导师，来应聘的大多是从事材料器件物理的，而工艺和设计方向的几乎没有。以芯片设计为例，是否需要开设固体物理和半导体物理课？当然就更没有必要上量子物理等高深理论课了。笔者一直想在课程设置上建议较大的改变，但阻力太大。因为很多人认为，不上这些课，就不是微电子专业了，其实不然。现在看来，这种改变势在必行。所以本文呼吁，如果要改变中国缺“芯”状况，微电子专业课程设置尤其是芯片设计方向，必须做根本性的调整。首先，应以系统设计为目的开设基础课程，如通信原理、自动控制原理、信号与系统、大数据和人工智能等基本课程。让学生理解这些基本原理，打好基础。但这些可选课程比较多，如何取舍。另一方面这些课程也需根据芯片设计专业的需要做调整。芯片设计课程应是重头戏。芯片设计的预备课程比较多，如硬件描述语言、EDA技术、FPGA数字系统设计等等，但这些都不是严格意义上的芯片设计主干课程。芯片设计主干课程应讲授什么内容、怎样教？这是一个需要认真探讨的课题，并且要有专家专门做这样的事情。本文高兴地看到已有学校要求研究生有芯片设计的体验并为之提供流片机会，这对学生来说是非常难得的学习和实践。但学生主要靠自学摸索，只是悟性好又勤奋的学生能够完成，而对于本科生群体设计能力的培养，还是必须有适当的主干课程和实验来支撑。这是一个艰巨的任务，需要集思广益[2-24]，需要有如改革开放之初教育部组织全国资源编写教材的大动作来完成。

4结语

几十年来，国家一直重视微电子学科的发展。一方面产业界很需要微电子人才补充，一方面我们所培养的微电子毕业生大部分都改行了。这说明了这个学科的培养方面出了根本性问题。最近清华高调宣传的一颗AI芯片，却是精仪专业团队设计的。重庆邮电大学这几年推出的TD基带芯片和工业物联网芯片，也与该校微电子专业没有什么关系。这些也反证了各校微电子专业普遍存在的纸上谈兵的状况。现在教育部和工信部比以往更重视和支持微电子专业的发展，新的一轮建设和资助已经开始，本文所思考的一些根本性问题应该得到重视。

作者：吕辉 王国裕 徐鹏 廖军 马军 单位：湖北工业大学理学院 湖北工业大学芯片产业学院