泛摩尔时代下的领潮者——记上海大学微电子学院院长古元冬

卫婷婷

1965年，英特尔创始人之一戈登·摩尔曾总结道：当价格不变时，集成电路上可以容纳的元器件数目每隔约18个月便会翻番，性能也将相应提升。这就是我们今天耳熟能详的“摩尔定律”。这虽是一项经验性预测，却在一定程度上揭示了信息技术进步的速度，也在过去数十年间被微电子产业界奉为圭臬。可以毫不夸张地说，“摩尔定律”是现代社会最重要的“定律”之一。

然而，随着如今半导体器件的特征尺寸趋近物理极限，先进制程的研发进度已然显著慢于“摩尔定律”的预期，关于“摩尔定律接近尾声”的现实正在逐渐被行业接受。集成电路行业的发展应该走向何方？这个问题成为悬浮在众人头顶上的“乌云”。就在这时，“泛摩尔”技术应运而生，这项通过异质集成整合集成电路、微纳系统（MEMS/NEMS）、光电子、小芯片等为一体的技术成为智能时代下芯片的新技术生长点。

“科研的价值点必须落在产业上，最终的衡量标准必须体现在社会效益及经济效益上。”这是古元冬坚信的，“微电子、集成电路的科研更是如此”。因此，“如何将泛摩尔技术的研发与产业结合，使其有效地落地，实现有意义的研发”是领域里产、学、研多界关注的焦点，微电子行业下一步发展的重要方向，也是上海大学微电子学院院长古元冬及其同伴近年来孜孜不倦的努力方向。

古元冬

海纳百川 呼朋引伴

2021年5月23日，上海大学嘉定校区，第一届泛摩尔产业高峰论坛在此隆重举办。这一论坛由上海大学微电子学院主办，倾注了古元冬及其众多同事的智慧和期盼。

论坛吸引了来自瑞士、新加坡、日本和国内政、产、学、研各领域逾300名嘉宾参加。中国工程院院士吴汉明、中国工程院院士余少华、瑞士工程院院士Peter Seitz、日本东北大学教授羽根一博等业界公认的专家皆以讲座、发言等各种形式参与了会议。与会者就半导体产业的发展途径，以及如何丰富完善包括材料装备、芯片设计、制造工艺、封装测试、系统应用等各产业链节点在内的“泛摩尔”产业生态进行了充分的交流碰撞，呈现出一派百家争鸣、百花齐放的良好学术交流氛围。

值得一提的是，第一届泛摩尔产业高峰论坛在发起之初便受到了国内外众多业内人士的关注，短时间内便吸引了数百人踊跃报名参会，使得主办方不得不因为疫情等因素，将会议定为线上+线下结合的形式，以此保障每一位参会人员的安全。

论坛上，古元冬作了题为“产教融合打造泛摩尔产业学院”的主旨演讲，就上海大学微电子学院致力建设本硕博一体化、准工业化、国际一流的学院愿景，为产业培养大批高素质、应用型、复合型的创新人才的目标等做了详细的介绍，包括要发挥嘉定区“泛摩尔”产业优势，建设特色鲜明的“泛摩尔”产业学院，建立契合产业需求的“四个一”（一版芯片设计、一套工艺流片、一次封装测试、一个创新项目）培养模式，实施设计、工艺、制造、验证、应用系统全链条培养，提升学生工程实践能力等。

“我们希望以这场会议为平台，和业内人士共同探讨半导体产业的发展途径，引进该领域的新理念、新技术、新成果、新项目，和国内外产、学两界构建开放、共赢的合作伙伴关系。”这是上海嘉定在“泛摩尔时代”的发展规划，同时也是古元冬多年来的心愿。

海纳百川，有容乃大；呼朋引伴，共赢未来。站在“泛摩尔”产业浪潮席卷的前端，古元冬和他的伙伴们正以他们特有的方式，一步一步接近未来、共创未来。

缘起与执着

1958年，德州仪器公司的J.Kilby发明了第一块集成电路（他因此获得了2000年诺贝尔物理学奖）。当时谁也没想到，正是这块简易的集成电路，掀起了世界电子产业的一场革命。

遵照摩尔定律，集成电路的设计规则已经缩小为最初的三百分之一以下，而晶体管的平均价格降低为原来的百万分之一。上至航空航天，下至人们每天使用的智能手机、手提电脑，随处可见芯片的影子，微电子集成电路产业已经渗透到国民经济、社会、生活、国防的每一个角落。

距第一块集成电路发明过去40年整的1998年，背上行囊的古元冬搭乘飞机前往美国明尼苏达大学药学院攻读博士学位，彼时的他并没有预料到自己有朝一日会与微电子学这一看似跟他所学风马牛不相及的学科结缘。在此之前，他曾先后在中南民族大学、中国药科大学、中国科学院动物所生物膜和膜生物工程国家重点实验室从事与化学和生化药学相关的学习和研究工作，前往国外，本意是为了能够进一步深化该领域的研究。

但到明尼苏达大学不久，古元冬便在选择科研课题时碰到了一个艰难的抉择，当时他在研究与控释给药相关的课题。长期以来，如何准确地控制药物在人体特定器官中定时、定量地释放，以提高药物靶向性、给药剂量的准确性，是临床药学的一大难题。传统的递药系统依赖于微粒大小、高分子薄膜包被等被动手段控制靶向和药物释放速率。这些传统被动控制方案限制条件多、普适性有限。“能不能研发出一种通用型控制药物释放的芯片，以实现释药速率的主动控制，打破传统递药系统面临的局限？”脑海里产生的一个疑问激发了古元冬的探索欲望，当他向导师提出这一想法时，导师虽然支持，但也很担心微电子等工科背景的缺失会给他带来巨大的挑战。面对这个挑战，古元冬决定知难而上。

“无知者无畏”，这是古元冬给当时的自己的评价。他当时并不知道研发这个芯片竟然需要化学、物理、材料、微电子等多学科的综合支撑，而这许多科目是他以往的知识结构中所不具备的。但也正是这次勇敢挑战，让他开启了与微电子领域结缘的跨界之旅。

为实现这一跨界，古元冬付出了常人难以想象的艰辛：每天往来奔波于学校多个专业学科的教室恶补专业知识。在那段“苦行僧”般的求学日子里，古元冬的脑子如同一台不停运转的机器一样，高分子物理、冶金学、固体物理学；扩散、传热、布朗运动等各种专业知识和问题时刻充斥着大脑，不曾让他停下思考。“那是最让我享受的一段时光。化学与微电子等学科的交汇碰撞拓宽了我的思维，就像打通任督二脉般畅快，很多科研的启蒙都是在那时候才真正开始的。”辛苦付出换来了各个学科的融会贯通。

2001年，古元冬获得明尼苏达大学电子工程硕士学位。次年8月，他以“基于葡萄糖敏感型水凝胶的MEMS控释递药芯片”为题顺利通过博士论文答辩，并于3个月后收到了美国霍尼韦尔的聘书，成为霍尼韦尔先进传感器实验室的一名高级研发工程师。

作为一家《财富》全球500强的高科技企业，霍尼韦尔先进传感器实验室是MEMS传感器的先驱，在传感器领域属于金字塔顶般的存在，汇集了来自全球顶尖高校及研究机构的科研人员。只不过与传统的科研机构不同，它进行的并非基础科研，而是从事与产业相关的应用技术研究。换句话说，这里的研究内容是由市场及产业发展趋势决定的。

高端的科研团队里往往藏龙卧虎，古元冬便是其中的一位佼佼者。过往化学与物理兼具的学习经历，赋予了他比别人更广的研究视野。由于不同学科的底层原理在很多时候是有相通之处的，因此在思考很多问题的时候，古元冬凭借早年对各专业知识的掌握能够迅速地抓住不同信息的融合之点，从而创造出更多的可能性。他也因此成为数个美国国防高新研发项目署（DARPA）重点项目的首席科学家和项目经理。2010年，古元冬顺利成为实验室的一名首席科学家，主导实验室在生物和化学传感器方向的研发工作，并在国际传感器领域内打开了知名度。

研究事业的逐步攀升代表着古元冬成功适应了在传感器研发领域的挑战，并有着不错的研发产出。这给他带来成就感的同时，却也让他内心的矛盾逐渐显现出来。他说，那段时间，感觉自己被困在了一个挂在高处的笼子里——高端却不够接地气。实验室从事的是最前沿的研究，其前沿程度领先市场十数年甚至数十年。高屋建瓴的研究成果缺乏立即商业化的特性，使得他们研发的成果如同摆在高端货柜上延时售卖的商品，只等哪天市场的大潮卷来之时，再由外界的企业待价而沽。“这不是我希望做的研究。”古元冬说。在他的内心深处，始终埋藏着一颗将科研成果与产业即时地结合起来的愿望种子。

因此，2013年，当新加坡微电子研究院院长况顶立教授向他抛出橄榄枝的时候，考虑到新加坡在微电子领域科研和产业都有很好的基础，古元冬决定接受邀请，前往新加坡开展微电子领域相关研究。

在新加坡的科研经历进一步提高了古元冬在微电子领域的科研能力，同时还极大地丰富了他在整合产业链方面的实战经验，锻炼了他在机构及人才管理方面的能力，使得他成功具备了将微电子领域研发成果进行产业化的综合能力。但即便如此，古元冬依旧没有感到满足：“我希望能够将微电子领域的研发成果彻底产业化，希望有一天看到某个人手上拿着微电子产品时，我可以骄傲地指着它说‘这是我参与制造的’，这才是我心中科研的价值所在。如果做不到这一步，我会觉得我的生命不是很完整。”并且，相比在国外开展相关工作，古元冬更希望能够为国内相关产业的发展贡献自己的力量。因此，2018年9月，身为新加坡微电子研究院执行副院长的古元冬放弃了在国外的发展前景，毅然回国，到位于上海市嘉定区的上海微技术工业研究院（简称“上海工研院”）开展与产业相关的科研工作，立志于以实际行动，推动我国微电子产业的发展。

团队合影

迈向新征程

上海市嘉定区对于古元冬来说是一片科研的沃土。十余年来，嘉定区深耕“泛摩尔”领域，形成了包括材料装备、芯片设计、制造工艺、封装测试、系统应用等各产业链节点在内的、较完整的“泛摩尔”产业生态，是国内公认的“泛摩尔”重镇。这样的环境条件，正好给了古元冬大展拳脚的机会。

“工艺与设计要协同优化。”回国之初，古元冬便针对我国在微电子研发领域，特别是泛摩尔领域发展存在的关键性问题提出了这样的观点。纵观我国泛摩尔领域发展历史，虽经历多年的理论研究与技术验证，积累了大量宝贵的知识和经验，但真正实用的产品并不多。这是因为其中的关键环节——制造工艺不过关。以MEMS传感器为例，由于其“非标”的特性，造成制造难度大，对产线和工艺“严重依赖”，因此业界自嘲“一种器件、一套工艺”。而以集成电路为代表的泛摩尔领域的核心价值在于其“可量产性”，即能大批量、高一致性地生产，这样才能够为外界创造巨大的经济效益与社会效益。我国在“泛摩尔”制造工艺方面的短板导致其“可量产性”滞后于国际同行。这使得产业落地困难重重，严重制约了我国“泛摩尔”产业的良性发展。

“这就好比盖摩天大楼，只有设计图纸，却没有建高楼的吊装和浇灌技术是建造不出能住人的大楼的。”在厘清行业现状后，古元冬将目光投向了上海工研院的“泛摩尔”8英寸研发中试线。

上海工研院“泛摩尔”8英寸研发中试线位于上海嘉定工业区，能够提供MEMS工艺、AlN、硅光、智能微流控和BTIT等“泛摩尔”核心技术工艺，实现从研发到量产的无缝衔接。除此之外，上海工研院的科研领军人才无不具有深厚的研究能力和丰富的“泛摩尔”工艺研发经验，被古元冬类比为武侠小说里的“扫地僧”。因此，在上海工研院担任CTO后，古元冬便以“泛摩尔”8英寸研发中试线为科研平台，大力推进微电子领域的研发及产业化工作。

借助这个研发中试线，古元冬成功完成了高性能压电氮化铝薄膜相关工艺的研发。目前市面上所有4G/5G手机中用到的射频滤波器，其最重要的材料之一就是氮化铝。但在这之前，国内缺乏开放的氮化铝工艺平台，古元冬及其团队在此领域所做的努力填补了这一空白。

微电子的研发及产业化需要的并不只有研发平台，还有高端专业人才，这是古元冬推动微电子产业发展版图里的另一重要部分。2019年，上海大学和上海工研院共同组建成立了上海大学微电子学院，学院位于上海市嘉定区，距离上海工研院的“泛摩尔”8英寸研发中试线约5公里，古元冬担任院长。

上海大学微电子学院成立后，古元冬在集结师生力量方面费尽了心力。他深知，开放的、国际化的科研环境更能够促进研究思路的碰撞，也有利于学生接受到不同的专业知识。“以开放的胸怀，携世界之手，共同进步”一直是他在做的事情。为此，他在世界各国的优秀科研人才中广下英雄帖，领域横跨产、学两界，在知名大学任职的学界资深教授，微电子领域龙头企业的资深工程师、技术总监、CTO等皆在他的邀请范围内。

对古元冬来说，诚邀国内外学、产两界高端人才加盟，不仅是为了推进我国微电子领域研发及产业化发展的步伐，同时也是为微电子学院“引产入教”做准备。以课堂授课为主要手段的基础教育缺乏在产业方向的应用延伸，这也导致学生在学业结束走向产业实践的过程中需要很长一段时间来适应。因此，古元冬打破了传统学院的教育风格，让常年在产业研发及产业化一线工作过的人才来指导学院的硕士、博士生，同时通过和上海工研院及外界企业等的合作，使他们在实践中将科学研究与产业紧密地结合起来，真正去了解产业问题，并开始尝试如何去解决这些实际问题。

对古元冬来说，推进微电子研发和产业发展不是在打一场单打独斗的“游击战”，而应该是一场持久的、有组织、有准备的“集团战”。强化并提升“泛摩尔”8英寸研发中试线这一研发平台和上海大学微电子学院的建立，便是他回国后为后续工作的开展所做的两个重要铺垫性工作。基于这两项工作，古元冬结合嘉定的产业特点、工研院和上海大学的优势，以及自己对微电子行业的深刻理解，为微电子学院布局了传感器、硅光子、三维封装、显示器及可穿戴设备5个特色方向。

古元冬作报告

在科技发展日新月异的当下，万物皆可传感、互联。感知设备就如人的知觉一般，从味觉、视觉、嗅觉、听觉、压力、方向等方面感知着来自外界的刺激，进而再将这些感知信号经过数字化、可视化等处理，方便人们的生活。不过，随着感知数据量日益庞大，数据的传输便成为日渐凸显的“卡脖子”难题，而这也是古元冬一直致力解决的问题。将传感器、数据传输等芯片进行三维封装，做成一块普通咖啡方糖大小的，如同人般可感、可听、可说、可传输的整体功能模块。“这是未来的发展方向。”古元冬介绍说。

除此之外，显示器及可穿戴设备同样也是古元冬非常关注的两个方向。在未来，他将带领团队和新型显示技术及应用集成教育部重点实验室开展密切合作，将上述通过传感器感知、硅光子传输及三维封装得到的内容以终端显示的形式实现可视化。至于可穿戴设备，正如在第一届泛摩尔产业高峰论坛中瑞士工程院院士Peter Seitz所指出的，通过纳米传感技术可实现对人体的各项特征的实时监测，“治未病”是未来医疗的重要发展方向。有朝一日，用微纳技术制造的无创可穿戴汗液传感器经可应用于人体多项生化指标监测，通过实时检测汗液中的多种物质，即可分辨传染性疾病、免疫系统疾病、神经系统疾病等，将对社会产生巨大的作用。这是Peter Seitz院士的观点，也是古元冬一直以来认同的观点。

事实上，第一届泛摩尔产业高峰论坛的成果不止在学术交流领域。上海大学微电子学院以该场论坛为平台，成功吸引和聚集了一批“泛摩尔”领域的高端人才，并和他们建立起了开放共赢的合作伙伴关系，以此推动未来上海嘉定区包括材料装备、芯片设计、制造工艺、封装测试、系统应用等各产业链节点在内的“泛摩尔”产业生态的丰富和完善。立足我国微电子产业发展需求，搭建更多更好的平台以吸纳和培养更多领域里的高端英才，共同为中国突破芯片之围献策献力，对古元冬来说，这是他在微电子领域以往十数年经历所绘就的梦想蓝图。他说：“哪怕再苦再累我也会竭尽全力。”