后摩爾時代研究型微電子人才培養思考

常勝

摘要：隨著工藝的進步，微電子科學進入后摩爾時代，“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”并存的發展趨勢對微電子專業人才提出了更高的要求。本文對如何培養滿足當下社會產業需求和未來專業發展需要的研究型人才，從培養方案頂層設計、交叉基礎學科知識補足、專業應用能力深化、專業創新潛力增強、多元化復合型實踐體系構建、專業視野拓展等幾方面提出了幾點思考，希望能對高校微電子專業建設和人才培養提供一點借鑒。

關鍵詞：后摩爾時代；微電子；人才培養

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

一、微電子學科的后摩爾時代

作為一個與社會經濟生活聯系緊密的學科，發源于半導體物理的微電子專業聚焦于對電子器件和集成電路的研究，為整個電子產業和信息社會從基礎單元層面提供著支撐。從2000年的《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》（18號文件），到2011年的《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》（4號文件），再到2014年的《國家集成電路產業發展推進綱要》，國家持續不斷地給予鼓勵和引導，使得我國的微電子集成電路產業得到了迅速的發展。

與此同時，隨著工藝尺度逐步進入納米級范疇，硅基工藝面臨的困難不斷增多，微電子技術工藝節點進步的速度逐步放慢。2016年，國際半導體路線圖組織（International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS）宣布從20世紀70年代起支撐微電子產業發展長達半個世紀的摩爾定律（Moores Law）已不再適用[1]?！跋﹃柈a業”的危機一時間籠罩于整個微電子領域之上。臨此微電子學科的后摩爾時代，如何保持長期穩定的發展，成為微電子學科的必答題，也是高校微電子人才培養所必須關注的問題。

目前而言，廣受認可的微電子學科發展趨勢可分為以下三類：“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”。其中，“More Moore”沿著現行道路繼續前進，尋求對工藝尺度的進一步縮減，盡量挖掘成熟硅工藝的潛力。這一發展趨勢的優點是方法成熟，近期效果較為確定，實用性強。例如，Intel、IBM和三星等正在積極推進7nm和5nm的硅工藝。其缺陷是由于硅在納米尺度下量子效應的限制，進一步減小工藝尺寸的前景并不樂觀，終點似乎就在眼前。

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

“Beyond Moore”則更為激進。徹底跳出硅材料和傳統MOSFET結構的限制，采用在納米尺度下具有優良特性的新型材料（如碳納米管、石墨烯、二硫化鉬等低維材料），開發基于新物理機理的器件（如自旋器件、量子點器件等），走出一條全新的道路。這一發展趨勢不確定性強、難度大、現有產業化基礎薄弱，但其為微電子學科的發展打開了一扇全新的大門，具備著廣闊的發展空間。

二、社會需求與專業發展的并重

分析以上三條道路，其中任何一條都有著自己的優勢和弱點，其相互結合并隨著學科和產業的發展變革而不斷調整才是最好的發展方式。例如，立足于滿足當下對電子信息社會發展支撐的需求，以“More Moore”為基礎輔以“More than Moore”的局部變革，是微電子產業界的主流趨勢。一方面，集成電路的主力設計節點繼續下沉，從0.18um，0.13um發展到95nm，70nm；另一方面，并行體系、異構系統等新的設計思想不斷涌現，保證了微電子產業發展近期的穩定性。而考慮到學科的發展和未來，推進對“Beyond Moore”的探索則尤為重要。目前，截止頻率高達數百GHz的石墨烯場效應管[2]、電流密度超過硅的碳納米管陣列[3]均已在實驗室環境下實現了制備，微電子學科逐步過渡到“Beyond Moore”的道路已悄然顯現。

在此微電子學科及產業發展的歷史變革之期，一方面，作為與社會經濟生活緊密結合的工科專業，微電子專業人才需要滿足“More Moore”路線下對具備現行硅基微電子工藝和微電子設計技術的要求，擁有較好的實踐能力和應用能力，能迅速投身到產業生產之中。另一方面，面對“Beyond Moore”道路中微電子行業將來可能出現的原理和方法的重大變化，微電子專業人才需要掌握相關的新的科學知識及技術手段，具備適應變化以致引領變化的能力，為其長遠的發展打下基礎。

以上兩方面，需要使學生既能滿足社會對產業應用能力的需求，又要適應專業發展對學術研究能力的提升，這兩大需求無疑對微電子專業的人才培養提出了更高的要求。在當今大力發展微電子產業的背景下，各高校在滿足社會需求方面大力探索，通過校企結合[4]、分段式培養[5]等方式在微電子應用型人才的培養上做出了很多卓有成效的工作。但對于面向以“Beyond Moore”為代表的后摩爾時代微電子學科和產業的未來發展趨勢，建立相應的人才培養機制方面則需要大力加強，尤其對于研究型人才的培養。

三、人才培養的幾點思考

針對這一問題，從以下幾點做出一些思考，希望能對微電子專業人才培養的可持續發展做出一些探索。

（一）從頂層設計上重視后摩爾時代給微電子專業帶來的變革

國家當前正大力促進專業認證、專業評估等規范大學教育專業建設工作。借此時機，根據“以學生為中心，以結果為導向（Outcome based education，OBE）”的現代人才培養的基本原則，對人才培養方案由頂至底進行全方位的梳理。樹立微電子人才滿足產業需求和專業發展并重的培養目標；分解形成培養學生責任感、專業知識、創新能力、解決復雜問題、信息應用、溝通表達、團隊合作、國際化視野及終身學習等9大能力的具體畢業要求；構架落實能力培養的課程體系設置矩陣；并建立效果反饋機制，確保培養目標的達成。

（二）補足交叉基礎學科知識

對于為微電子專業未來發展打開新大門的“Beyond Moore”，其核心在于超越硅材料和傳統器件結構的限制，涉及到了一系列交叉基礎學科的新的知識。而這是現有不少微電子專業人才培養中較為忽視的，必須要加以補足。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，其新的晶體結構體系需要學生具備較好的“固體物理”的功底，納米級的尺度帶來的量子效應需要學生具有“量子力學”的基礎，而不同于硅的材料特性則需要學生掌握一定的“近代電子材料”等材料科學的知識。

（三）深化專業應用能力的培養

對于以“More Moore”為主輔以“More than Moore”的現行業界需求，應結合工藝的進步和新技術的涌現，更新、豐富專業課程及實踐教學，深化對學生專業應用能力的培養。例如，在“半導體器件”課程中，可在經典長溝道MOSFET基礎上增添納米級器件的新效應等內容；在“電子設計自動化”或“數字集成電路設計”的實踐教學中，可培養片上系統、異構系統等新技術的設計能力；在“射頻集成電路設計”的課程中，可深化GaN、SiGe等新型高速工藝的應用。此外，可細化方向列出微電子材料類、單元器件類、數字集成電路設計類、模擬集成電路設計類、微電子系統應用類等帶有一定探索性、前沿性的綜合性實驗群，供學生分類選擇，以深化學生在某一子領域內的專業應用能力，提高學生解決復雜問題的能力。

（四）加強專業創新潛力的挖掘

為了使學生能適應微電子領域未來的變革，以致能引領這一變革，創新潛力的培養是研究型人才培養所必不可少的。除常規課堂及實踐教學的潛移默化外，可通過多種形式展開科研活動加以強化，使學生具備自我學習和自我發展的能力。例如，可搭建國家級、校級、院級多層次的大學生創新計劃體系，讓不同基礎的學生都有機會嘗試科研項目，體會工作流程。再如，可建立渠道使學有余力的學生進入老師的科研課題組，發揮科研反哺教學的作用，讓學生在具體的科研工作中深化對所學知識和技能的掌握，挖掘學生的創新潛力。此外，可在獎學金、評優評先等調控手段中凸顯專業學術創新的比重，營造鼓勵創新的氛圍，培育學術創新的土壤。

（五）構建多元化復合型的實踐教育體系

研究型高校培養的人才通常有出國學習、繼續深造和就業服務社會幾種不同的出口選擇，其實踐教育也不應拘泥于統一固化的模式。本著“以學生為中心”的原則，在完成專業實驗、綜合實驗等基本實踐教學之上，對應地提供多元化的提升型實踐途徑，使其能各取所需。例如，提供交流生機會以滿足出國學習的需求；提供校內、外高校和科研院所的科研課題組實習機會以滿足繼續深造的需求；提供企業交流和實習的機會以滿足就業服務社會的需求?？紤]到學生發展的可塑性，這些多元化的渠道不必對學生做割裂和限定，符合條件的均可參與，從而形成復合型的教育體系，使學生能歷經多層面的實踐培養，具有更為廣闊的發展空間。

（六）鼓勵專業視野的拓展

寬闊的專業視野有利于學生在后摩爾時代微電子的技術變革中把握方向，尋找適合自身專業及職業發展的道路，也是溝通表達能力、團隊合作能力、國際化能力的具體體現。拓展專業視野，可鼓勵學生多參加專業競賽，例如集成電路設計大賽、大學生電子設計大賽等，讓學生對書本外的知識展開探索，在競爭的環境中相互合作，與領域內的同行相互交流。還可為學生多創造到企業實習、國外交流的機會，通過在企業中的鍛煉了解業界的需求與工作模式，通過在國外高校的進修了解不同的教育培養模式，拓寬產業化與國際化視野。此外，發動學生多參加學術報告等專業交流也是一個好的方法。學術報告中通常針對的是本專業及相關專業的最新科學和技術動態，參加報告不僅對了解微電子領域的發展與變革是十分有益的，也可一覽領域內專家學者的治學風范，樹立良好的專業態度。

四、結束語

本文針對處于變革中的后摩爾時代微電子領域，從培養方案頂層設計、交叉基礎學科知識補足、專業應用能力深化、專業創新潛力增強、專業視野拓展等幾方面做出了思考，對如何培養滿足社會需求和注重專業發展的研究型微電子專門人才做出了探索。

參考文獻：

[1]Waldrop，M.M.Y the semiconductor industry will soon abandon its pursuit of Moore's law.Now things could get a lot more interesting[J].Nature，2016，（7589）：144-147.

[2]Liao，L.Lin，Y.C.Bao，M.et al..High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate[J].Nature.，2010，（467）：305-308.

[3]Brady，G.J.Way，A.J.Safron，N.S.et al..Quasi-ballistic carbon nanotube array transistors with current density exceeding Si and GaAs[J].Science Advances，2016，（9），e1601240.

[4]虞致國，趙琳娜.基于校企合作提高集成電路設計類課程教學質量的研[J].大學教育，2016，（5）：106-107.

[5]居水榮.微電子技術專業高職與本科分段培養模式的研究和探索[J].教育教學論壇.，2016，（5）：116-118.