后摩尔时代研究型微电子人才培养思考

常胜

摘要：随着工艺的进步，微电子科学进入后摩尔时代，“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”并存的发展趋势对微电子专业人才提出了更高的要求。本文对如何培养满足当下社会产业需求和未来专业发展需要的研究型人才，从培养方案顶层设计、交叉基础学科知识补足、专业应用能力深化、专业创新潜力增强、多元化复合型实践体系构建、专业视野拓展等几方面提出了几点思考，希望能对高校微电子专业建设和人才培养提供一点借鉴。

关键词：后摩尔时代；微电子；人才培养

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0214-03

一、微电子学科的后摩尔时代

作为一个与社会经济生活联系紧密的学科，发源于半导体物理的微电子专业聚焦于对电子器件和集成电路的研究，为整个电子产业和信息社会从基础单元层面提供着支撑。从2000年的《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（18号文件），到2011年的《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（4号文件），再到2014年的《国家集成电路产业发展推进纲要》，国家持续不断地给予鼓励和引导，使得我国的微电子集成电路产业得到了迅速的发展。

与此同时，随着工艺尺度逐步进入纳米级范畴，硅基工艺面临的困難不断增多，微电子技术工艺节点进步的速度逐步放慢。2016年，国际半导体路线图组织（International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS）宣布从20世纪70年代起支撑微电子产业发展长达半个世纪的摩尔定律（Moores Law）已不再适用[1]。“夕阳产业”的危机一时间笼罩于整个微电子领域之上。临此微电子学科的后摩尔时代，如何保持长期稳定的发展，成为微电子学科的必答题，也是高校微电子人才培养所必须关注的问题。

目前而言，广受认可的微电子学科发展趋势可分为以下三类：“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”。其中，“More Moore”沿着现行道路继续前进，寻求对工艺尺度的进一步缩减，尽量挖掘成熟硅工艺的潜力。这一发展趋势的优点是方法成熟，近期效果较为确定，实用性强。例如，Intel、IBM和三星等正在积极推进7nm和5nm的硅工艺。其缺陷是由于硅在纳米尺度下量子效应的限制，进一步减小工艺尺寸的前景并不乐观，终点似乎就在眼前。

“More than Moore”是对现有主要依赖工艺进步的道路做出审视，从器件架构、系统体系等多个角度寻求改变。例如，采用多层堆叠的形式提高单位面积的器件密度，使用多核或异构体系提升系统的处理能力等。这一发展趋势在不缩减工艺尺度的情况下延续了微电子器件和系统性能的提升，与现有工艺有较好的结合且具备一定的发展空间。

“Beyond Moore”则更为激进。彻底跳出硅材料和传统MOSFET结构的限制，采用在纳米尺度下具有优良特性的新型材料（如碳纳米管、石墨烯、二硫化钼等低维材料），开发基于新物理机理的器件（如自旋器件、量子点器件等），走出一条全新的道路。这一发展趋势不确定性强、难度大、现有产业化基础薄弱，但其为微电子学科的发展打开了一扇全新的大门，具备着广阔的发展空间。

二、社会需求与专业发展的并重

分析以上三条道路，其中任何一条都有着自己的优势和弱点，其相互结合并随着学科和产业的发展变革而不断调整才是最好的发展方式。例如，立足于满足当下对电子信息社会发展支撑的需求，以“More Moore”为基础辅以“More than Moore”的局部变革，是微电子产业界的主流趋势。一方面，集成电路的主力设计节点继续下沉，从0.18um，0.13um发展到95nm，70nm；另一方面，并行体系、异构系统等新的设计思想不断涌现，保证了微电子产业发展近期的稳定性。而考虑到学科的发展和未来，推进对“Beyond Moore”的探索则尤为重要。目前，截止频率高达数百GHz的石墨烯场效应管[2]、电流密度超过硅的碳纳米管阵列[3]均已在实验室环境下实现了制备，微电子学科逐步过渡到“Beyond Moore”的道路已悄然显现。

在此微电子学科及产业发展的历史变革之期，一方面，作为与社会经济生活紧密结合的工科专业，微电子专业人才需要满足“More Moore”路线下对具备现行硅基微电子工艺和微电子设计技术的要求，拥有较好的实践能力和应用能力，能迅速投身到产业生产之中。另一方面，面对“Beyond Moore”道路中微电子行业将来可能出现的原理和方法的重大变化，微电子专业人才需要掌握相关的新的科学知识及技术手段，具备适应变化以致引领变化的能力，为其长远的发展打下基础。

以上两方面，需要使学生既能满足社会对产业应用能力的需求，又要适应专业发展对学术研究能力的提升，这两大需求无疑对微电子专业的人才培养提出了更高的要求。在当今大力发展微电子产业的背景下，各高校在满足社会需求方面大力探索，通过校企结合[4]、分段式培养[5]等方式在微电子应用型人才的培养上做出了很多卓有成效的工作。但对于面向以“Beyond Moore”为代表的后摩尔时代微电子学科和产业的未来发展趋势，建立相应的人才培养机制方面则需要大力加强，尤其对于研究型人才的培养。

三、人才培养的几点思考

针对这一问题，从以下几点做出一些思考，希望能对微电子专业人才培养的可持续发展做出一些探索。

（一）从顶层设计上重视后摩尔时代给微电子专业带来的变革

国家当前正大力促进专业认证、专业评估等规范大学教育专业建设工作。借此时机，根据“以学生为中心，以结果为导向（Outcome based education，OBE）”的现代人才培养的基本原则，对人才培养方案由顶至底进行全方位的梳理。树立微电子人才满足产业需求和专业发展并重的培养目标；分解形成培养学生责任感、专业知识、创新能力、解决复杂问题、信息应用、沟通表达、团队合作、国际化视野及终身学习等9大能力的具体毕业要求；构架落实能力培养的课程体系设置矩阵；并建立效果反馈机制，确保培养目标的达成。

（二）补足交叉基础学科知识

对于为微电子专业未来发展打开新大门的“Beyond Moore”，其核心在于超越硅材料和传统器件结构的限制，涉及到了一系列交叉基础学科的新的知识。而这是现有不少微电子专业人才培养中较为忽视的，必须要加以补足。例如，针对目前看来很有希望的碳纳米管、石墨烯、硫化钼等低维器件及电路，其新的晶体结构体系需要学生具备较好的“固体物理”的功底，纳米级的尺度带来的量子效应需要学生具有“量子力学”的基础，而不同于硅的材料特性则需要学生掌握一定的“近代电子材料”等材料科学的知识。

（三）深化专业应用能力的培养

对于以“More Moore”为主辅以“More than Moore”的现行业界需求，应结合工艺的进步和新技术的涌现，更新、丰富专业课程及实践教学，深化对学生专业应用能力的培养。例如，在“半导体器件”课程中，可在经典长沟道MOSFET基础上增添纳米级器件的新效应等内容；在“电子设计自动化”或“数字集成电路设计”的实践教学中，可培养片上系统、异构系统等新技术的设计能力；在“射频集成电路设计”的课程中，可深化GaN、SiGe等新型高速工艺的应用。此外，可细化方向列出微电子材料类、单元器件类、数字集成电路设计类、模拟集成电路设计类、微电子系统应用类等带有一定探索性、前沿性的综合性实验群，供学生分类选择，以深化学生在某一子领域内的专业应用能力，提高学生解决复杂问题的能力。

（四）加强专业创新潜力的挖掘

为了使学生能适应微电子领域未来的变革，以致能引领这一变革，创新潜力的培养是研究型人才培养所必不可少的。除常规课堂及实践教学的潜移默化外，可通过多种形式展开科研活动加以强化，使学生具备自我学习和自我发展的能力。例如，可搭建国家级、校级、院级多层次的大学生创新计划体系，让不同基础的学生都有机会尝试科研项目，体会工作流程。再如，可建立渠道使学有余力的学生进入老师的科研课题组，发挥科研反哺教学的作用，让学生在具体的科研工作中深化对所学知识和技能的掌握，挖掘学生的创新潜力。此外，可在奖学金、评优评先等调控手段中凸显专业学术创新的比重，营造鼓励创新的氛围，培育学术创新的土壤。

（五）构建多元化复合型的实践教育体系

研究型高校培养的人才通常有出国学习、继续深造和就业服务社会几种不同的出口选择，其实践教育也不应拘泥于统一固化的模式。本着“以学生为中心”的原则，在完成专业实验、综合实验等基本实践教学之上，对应地提供多元化的提升型实践途径，使其能各取所需。例如，提供交流生机会以满足出国学习的需求；提供校内、外高校和科研院所的科研课题组实习机会以满足继续深造的需求；提供企业交流和实习的机会以满足就业服务社会的需求。考虑到学生发展的可塑性，这些多元化的渠道不必对学生做割裂和限定，符合条件的均可参与，从而形成复合型的教育体系，使学生能历经多层面的实践培养，具有更为广阔的发展空间。

（六）鼓励专业视野的拓展

宽阔的专业视野有利于学生在后摩尔时代微电子的技术变革中把握方向，寻找适合自身专业及职业发展的道路，也是沟通表达能力、团队合作能力、国际化能力的具体体现。拓展专业视野，可鼓励学生多参加专业竞赛，例如集成电路设计大赛、大学生电子设计大賽等，让学生对书本外的知识展开探索，在竞争的环境中相互合作，与领域内的同行相互交流。还可为学生多创造到企业实习、国外交流的机会，通过在企业中的锻炼了解业界的需求与工作模式，通过在国外高校的进修了解不同的教育培养模式，拓宽产业化与国际化视野。此外，发动学生多参加学术报告等专业交流也是一个好的方法。学术报告中通常针对的是本专业及相关专业的最新科学和技术动态，参加报告不仅对了解微电子领域的发展与变革是十分有益的，也可一览领域内专家学者的治学风范，树立良好的专业态度。

四、结束语

本文针对处于变革中的后摩尔时代微电子领域，从培养方案顶层设计、交叉基础学科知识补足、专业应用能力深化、专业创新潜力增强、专业视野拓展等几方面做出了思考，对如何培养满足社会需求和注重专业发展的研究型微电子专门人才做出了探索。

参考文献：

[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]虞致国，赵琳娜.基于校企合作提高集成电路设计类课程教学质量的研[J].大学教育，2016，（5）：106-107.

[5]居水荣.微电子技术专业高职与本科分段培养模式的研究和探索[J].教育教学论坛.，2016，（5）：116-118.