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浅谈集成电路成为一级学科


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时间: 2019-11-24 17:21:05

10月8日,工业和信息化部(MIIT)针对CPPCC关于加快支持工业半导体芯片技术研发和自主工业发展的建议,发布了一封信函。MIIT在信中指出,中国集成电路产业核心技术受人为控制的状况并没有根本改变,迫切需要加强关键技术研究,确保供应链安全和产业安全。除了指出在当前复杂的国际形势下,工业半导体材料、芯片、器件和绝缘栅双极晶体管(igbt)模块的滞后发展将制约我国新老动能和产业的转化,并提出一系列产业措施外,复信明确指出“应促进集成电路一流学科的建立,进一步加强微电子示范研究所”

与集成电路相关的第一级学科的建立已经讨论了许多年,但是由于各种争议而无法形成。随着学科的不断发展和变化,原有的初级学科分工实际上制约了我国集成电路人才的培养,影响了我国集成电路产业的健康发展。在中美贸易摩擦的背景下,这一问题已经大大扩大。工业和信息化部作为行业主管部门,深受行业发展中“人才伤口”的伤害。因此,工业和信息化部一直积极推进集成电路人才培养改革。这一声明还显示了工业和信息技术部代表的国家部委促进集成电路产业的强烈意愿。

那么为什么有必要建立集成电路的一级学科呢?集成电路一级学科的建立将对人才培养和产业发展产生什么样的影响?我应该如何建立一流的集成电路学科?本文作者就自己的经历和观点提出了一些看法,供大家参考。

首先,我们需要讨论为什么有必要建立集成电路的一级学科。这实际上是一个巨大的问题,涉及到中国的教育体系、科研体系、人才培养模式等方面,也涉及到集成电路产业的发展和变化。作者首先简要讨论了这一问题。

首先是集成电路产业本身的发展。作者在他的上一本书《生活》中谈到了工业发展引起的学科分工的变化:“你可能已经学会了一个假的数字集成电路”。

以前的集成电路是一种元件,其他元件还包括许多类型的电阻、电容、电感、磁性器件等。电路设计使用不同类型的元件在电路板上形成功能电路。

然而,随着摩尔定律驱动的集成电路技术的快速发展,集成电路已经从电子系统的组件发展到核心。如今,电子信息系统的大部分甚至所有功能都可以通过一个集成电路或几个集成电路来实现。因此,集成电路已经从原来的元件变成了电子信息系统的主要载体。这也是为什么美国对中国集成电路进口的所谓“管制”将对中国整个电子信息产业产生更大的影响。

正是由于技术进步的这种变化,电子信息系统的设计方法发生了巨大的变化。“在有元件的电路板上构建功能电路”的设计方法已经逐渐被“芯片作为电路”甚至“芯片作为系统”所取代。可以说,电子系统的设计已经转变为“片上制造电子系统”。这实际上打破了传统电子行业的分工。

然而,目前我国电子科学技术学科是按照传统模式划分的。电子科学与技术在两个学科之间的传统分工如下:

微电子/半导体科学负责研究如何将材料加工成电子元件,加工过程就是“过程”。电路和系统学科负责研究“器件的应用”以及如何使用元件形成电路。在这个过程中,需要一个电路建模和分析过程。事实上,我们电子信息专业的基础课程,如电路分析和模拟电路,主要是关于这些内容。另一方面,通信、仪器仪表、自动控制等学科研究如何在电路的基础上形成“完整的设备”。

这么说可能有点抽象。让我们用一个不准确的例子给出一个简单的解释:

这是互联网上发现的一台旧程控交换机的内部电路图。可以看出,它的内部结构是由一块主板和几块插入其中的扩展电路板组成的。如果比较上述分工,一般可以认为微电子/半导体研究电路板上的那些元件,电路和系统研究如何制造这些电路板,并且完成机器研究如何使用电路板来制造这种开关。

2010年,我给本科生上了一堂名为“数模混合集成电路设计”的课,主要讲述如何设计adc/dac芯片。那时,有一位老先生来听讲座。听完后,他和我仔细讨论了课程的内容。那时,我觉得这位老人对所有的技术细节都非常了解。后来,我得知这位老人是中国第一批进行模数转换的人。然而,当时他们设计了一种特殊的信号采集板,使用许多运算放大器和逻辑电路来实现芯片甚至ip核的功能。

随着集成电路和整个电子信息产业的发展,整个学科领域发生了巨大的变化:

集成电路的快速发展导致了单片电子系统。集成电路从整个电子系统的一个组件变成了一个载体,因此电路和系统乃至一些整机学科的原始研究内容实际上被纳入了当前的集成电路设计范畴。这使得集成电路的内涵和外延发生了根本性的变化。集成电路的研究不再是一种组件,而是一门综合学科,包括组件、电路、系统甚至软件。

现在让我们看看开关的内部结构。互联网上发现的华为交换机的内部结构也不应该是最新的型号,但它也可以让我们知道变化:

可以看出,除了电源电路之外,各种组件被配置以形成电路(这与电路和系统学科已经“退回”到诸如功率电子/微波电路的特定电路领域的当前情况相一致),并且许多集成电路只是零星地分布在其他大的电路空间中。这两个开关内部结构的变化深刻地反映了技术发展对电子系统设计方法的深刻影响。然而,原来的学科划分显然已经被打破,不再适合新的发展形式。

根据现有学科,微电子学和固态电子学只是电子科学和技术下的两个学科,负责研究电子元件(主要是半导体元件,其他元件分别由其他两个学科研究)。然而,集成电路只是两个学科下的三级学科,这显然极大地限制了集成电路专业的发展空间。就像一个年满18岁的孩子仍然穿着他五岁时穿的衣服一样,那一定是“惊恐万状”。

如果有许多具体的讨论会影响到会谈,我将在这里简单地谈一谈。

首先,当指定人员培训计划时,会导致该计划与当前的技术系统极不匹配。清华大学的杨化中教授在采访中也提到了这一点。

(详情见:杨化中清华大学教授:成功的集成电路企业家有这五个特征。)

杨教授在文章中指出,我国微电子专业课程体系不完善。这主要体现在我国微电子专业基本上不开设计算机体系结构、通信与网络、媒体处理等课程。例如,自2000年以来,集成电路产业发展的主要驱动力已经从个人电脑转向移动通信、网络和媒体处理,但国内人才培养却没有跟上步伐。

严格来说,这个锅真的不应该被微电子专业的学生学习。因为如果我们把微电子学作为培养“元件制造”人才的专业,目前的课程体系实际上是合格的。但问题是,在集成电路的内涵和外延得到拓展后,我们仍然把集成电路作为微电子专业的一个分支,用大规模的集成微电子专业课程培养体系来培养学生。这样,很自然会发现许多课程都没有提供。然而,事实上,微电子专业的新课程无法解决这一问题,必须重新设计符合现有集成电路专业人才培养的课程体系。

从2002年开始,也就是我本科的那一年。全国部分高校已经开始大规模开设“集成电路设计与集成系统”专业。后来,随着“模型微电子学院”的建设,该专业的建设进入了一个新阶段。然而,由于缺乏独立的学科,集成电路设计与集成系统专业仍然无法摆脱微电子专业原有课程和培养方案的约束。例如,考虑到学生未来的研究生学习,课程不得不减少对集成电路设计具有重要意义的“微处理器系统结构”(原微机原理)的课时,以加强xx物理的课时。

以上是对本科培养的影响,而学科对研究生培养的影响更大。因为研究生的招生是按学科进行的,研究生导师的评估和任命也是按学科进行的。如前所述,集成电路现在已经突破的元件概念在内涵和外延方面已经包括了许多其他学科。然而,由于集成电路没有独立的学科,从事集成电路研究的教师实际上分散在许多学科中。微电子/电子科学技术占很大一部分,但仍有许多教师分布在通信、计算机、仪器甚至自动控制等学科。然而,由于这些教师不是这些学科的“主流”,他们在职称评定和研究生名额分配方面受到一定程度的挤压甚至压制。

此外,由于我国的学科建设是按照学科评价方法进行评价的,多年来我国的科研评价体系一直受到“五个一”的严重影响。尽管该国从去年开始重视并纠正这一问题,但在建立新的有效评估制度之前,它仍无法有效消除这一影响。对于集成电路的研究领域来说,无论是发表论文还是接受资金的“效率”都明显不高。从事集成电路而没有独立学科的教师在评估的各个方面都很薄弱。以前,作者常常半开玩笑半认真地说,如果采用“只写论文”的标准,集成电路的研究就是“自杀”。以信号处理方向为例,用matlab写几百行甚至一百多行代码,运行几条曲线就足以发表论文。然而,如果算法要继续变成芯片(或者至少设计芯片的原型),至少还需要六个月到一年的时间。也许最后,你还会发现芯片发表的论文的“影响因子”和“分区”没有以前的纯算法高。在这根指挥棒的指导下,许多教师自然不得不为了“生存”而改变职业。这个地区有很多故事,所以由于篇幅有限,不会一一展开。

当然,为了从根本上解决上述问题,归根结底,我们还需要建立更加完善的人才培养体系、评价体系等制度建设和改革。然而,在现阶段无法一步建成理想系统的前提下,通过将集成电路设置为一流学科,可以相对独立地制定集成电路人才培养方案,从事集成电路研究的教师可以依靠它。这应该是解决我国集成电路人才培养和技术研究瓶颈的最现实途径。

通过集成电路一级学科的建设,可以理顺当前集成电路学科与其他相关学科的关系,使之符合当前的技术发展。根据集成电路人才培养的特点,可以制定相对独立合理的本科专业培养方案和课程内容计划。建立更符合集成电路学科特点的评价体系和研究生招生培养模式是可能的。从而为缓解我国集成电路人才培养的困境打下良好的基础。这对促进集成电路一级学科的建立也具有重要意义。

当然,集成电路一级学科的建立还没有完全解决。然而,集成电路成为一流学科后,仍然是建设的起点。只有真正构建和发挥这一学科,才能满足建立这一学科的初步要求。我相信许多专家对如何建立这门学科有自己的看法。作者敢于在这里说几句自己的想法,并有权发表一些评论。

首先,有必要理顺集成电路学科中的每个子方向/两个学科,并明确其自身的定位和任务。根据对上述图片中学科发展的分析,作者建议参考国家重点研发计划“光电微电子器件与集成”的划分方法。集成电路学科分为三个子方向:集成电路与系统芯片、集成电路设计方法、器件与工艺技术。

其次,在指定的学科范围内,按照三个子方向设置合理的本科和研究生课程,全面培养符合集成电路实际需要的人才。例如,在集成电路设计方法学的方向上,应该加强数学、计算机算法和微电子器件技术的整合,使学生能够编写模拟/仿真软件。

最后但同样重要的是。有必要根据学科范围均衡合理地引进和培训教师。以确保学科健康均衡发展,从长远角度稳定输送符合国家战略需要的人才。

以上是我对建立集成电路一级学科的粗浅看法和感受,希望你们批评和纠正我的不足之处。

黄乐田

电子科技大学电子科学与工程学院副教授;电子科技大学博士;ccf集成电路设计专业组成员。他的主要研究方向是计算机系统架构和片上系统设计。他发表了50多篇高水平论文,申请了11项专利,并在IEEE计算机交易(CCF A)等高水平期刊和code+isss、fccm、aspdac、iscas等顶级会议上发表了1部学术著作。自参加工作以来,主持并参与了国家自然科学基金重点项目、设备预研重点项目、国家科技重大项目、国家“863”重点研究计划等国家重点科研项目。他曾获altera Corporation (intel psg)黄金培训师、第7、8、12届研究生电子设计竞赛优秀讲师、电子科技大学网络硕士等称号。他曾担任国际化学品管理大会2016年宣传主席、国际化学品管理学会2016年会议共同主席、亚太化学品管理大会2018年特别会议主席等学术职务。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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