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2019

10/12

浅谈集成电路成为一级学科

10月8日,工信部公布了一份答复政协《关于加快支持工业半导体芯片技术研发及产业化自主发展的提案》的函,函中工信部指出,中国集成电路产业核心技术受制于人的局面仍然没有根本改变,急需加强核心技术攻关,保障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、器件及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的发展滞后将制约中国新旧动能转化及产业转型并提出一系列产业举措外,在这一答复函中尤其指出了要 “推进设立集成电路一级学科,进一步做实做强示范性微电子学院。”


设立与集成电路有关的一级学科已经经过多年的讨论,但由于一直存在各种争议而无法成形。随着学科的不断发展变化,原有的一级学科划分在事实上确实已经限制了我国集成电路人才的培养,进而影响到了我国集成电路产业的良性发展。在中美贸易摩擦的背景下,这一问题被极具放大。工信部作为行业主管单位,对于行业发展中的“人才之殇”有切肤之痛。因此工信部也一直在积极推动集成电路人才培养的变革。此次表态也是彰显了以工信部为代表的国家部委在推动集成电路产业的强烈意愿。


那么为什么需要设立集成电路一级学科?设立集成电路一级学科后会对人才培养和产业发展产生什么样的影响?应该如何建设集成电路一级学科?本文作者就自己的经历和视角提出一些自己的看法供大家参考。


首先我们需要讨论为什么需要设立集成电路一级学科。这其实是一个很庞大的问题,涉及到了我国的教育体制、科研体制、人才培养模式等多个方面,还涉及到集成电路这个行业的发展变化。作者先简单讨论一下。


首先是集成电路产业自身的发展。作者在此前的知乎Live:《你可能学了假的数字集成电路》中谈到了产业发展导致学科分工变化的问题。

曾经的集成电路是一种元器件,其它的元器件还包括电阻、电容、电感、磁性器件等等很多类型。而电路设计是用不同类型的元器件在电路板上构成功能电路。

而随着集成电路技术在摩尔定律的驱动下飞速发展,集成电路由一种元器件发展成为了电子系统的核心。如今,一个电子信息系统的大部分甚至全部功能都可以靠一个集成电路或者几个集成电路配合完成。因此集成电路就由原来的一种元器件变身成为了电子信息系统的主要载体。这也是为什么美国对我国集成电路进口实行所谓的“管制”以后,会对我国的电子信息产业整体造成较大的冲击。

正是由于这种技术进展的变化,导致了电子信息系统的设计方法发生了很大的变化。“用元器件在电路板构建功能电路”这一设计方法逐步的被放弃,取而代之的是“芯片即电路”甚至“芯片即系统”。可以说电子系统设计已经变为了“在芯片上做电子系统“。这其实上已经打破了传统电子产业的分工。

但我国目前电子科学与技术的学科划分还是按照传统的模式来划分的。而传统上电子科学与技术各个二级学科的分工是这样的:

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微电子/半导体学科负责的是研究如何把材料加工成电子元器件,加工的过程就是“工艺”。而电路与系统学科负责是研究“器件的应用“,研究如何用元器件构成电路。而在这个过程中需要有一个电路建模和分析的过程。我们电子信息类专业原来的核心专业基础课程电路分析、模拟电路等其实主要就在讲这些内容。而通信、仪器仪表、自动控制等学科则是在电路的基础上研究如何形成“整机装备”。

光这么说可能有点抽象,我们用一个不太准确的例子简单的说明一下:

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这是在网上找到的一张老式程控用户电话交换机内部的电路图,可以看出它内部的结构是由一个母板上插了若干个扩展电路板构成的。如果对照上面的分工的话,可以大致的认为微电子/半导体学科是研究电路板上的那些元器件的,电路与系统学科是研究如何做这些电路板子的,而整机类学科是研究如何利用电路板把这个交换机给做出来的。

2010年我给本科生开了一门课叫《数模混合集成电路设计》,主要是讲如何设计ADC/DAC芯片的。当时有一个老先生来听课,听完了以后和我认真讨论课程内容。我当时觉得老先生对各个技术细节掌握得非常清楚,后来才知道老先生是当年国内最早的一批做模数/数模转换的。但是他们那时候是设计了一个专门的信号采集板,用了很多运放和逻辑电路来实现了今天一颗芯片甚至是一个IP核的功能。

随着集成电路和整个电子信息产业的进步,整个的学科分工其实发生了巨大的变化:

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集成电路的飞速发展导致电子系统单片化。把集成电路由一种元器件变成了整个电子系统的载体,因此原来由电路与系统甚至部分整机学科研究的内容,实际上都包含在当今的集成电路设计范畴之内。这使得集成电路的内涵和外延都发生了根本性的变化。研究集成电路已经不再是研究一种元器件,而是包含了从器件、电路到系统甚至软件的综合性学科。

我们再来看看现在的交换机内部结构是什么样子。从网上找的一个华为交换机内部结构,应该也不是最新型号,但也可以让我们了解这其中的变化:

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可以看出,除了电源电路那部分还有各种元器件搭配来构成电路以外(这和目前电路与系统学科实质上已经“退守“到电力电子/微波电路等特定电路领域的现状符合),在其它偌大的电路空间里面只是零星的分布着若干个集成电路。这两种交换机内部结构的变化深刻的反应了技术发展对于电子系统设计方法的深刻影响。而原有的学科划分很显然已经被打破,已经不适应新形式的发展。

那么如果按现有学科划分,微电子与固体电子学只是电子科学与技术下面的二级学科,负责研究电子元器件(主要是半导体元器件,别的元器件分别由其它二级学科研究)。而集成电路只是在这个二级学科下面的三级学科,这显然极大的限制了集成电路专业的发展空间。就好像一个长到十八岁的小孩还在穿他五岁时候的衣服一样,必然是“勒得慌“。

如果具体展开影响会谈的很多,我这里简单谈一下。

首先是在指定人才培养方案的时候会导致方案极不适应现行的技术体系。清华大学杨华中教授在访谈中也提到了这一点。 清华大学教授杨华中:成功的集成电路创业者都有这五大特质

( 详情参见: 清华大学教授杨华中: 成功的集成电路创业者都有这五大特质 


杨教授在文中提出了国内的微电子专业课程体系不完整。主要体现在我国的微电子专业基本没有开设计算机体系架构、通信与网络、媒体处理等方面的课程。例如,推动集成电路产业发展的主要动力从2000年开始就已经从PC转移到了移动通信、网络和媒体处理,但是国内的人才培养却没跟上。


严格意义上来说这锅确实不应该微电子专业来背。因为如果我们把微电子专业看成一个培养“元器件制造“人才的专业的话,目前的课程体系其实还是合格的。但问题在于集成电路的内涵和外延扩大了以后,我们在学科划分上仍然按照集成电路是微电子专业的一个分支来看,培养的学生大面积的集成微电子专业的课程培养体系。这样自然就会发现有很多课程没有开设。但实际上这不是靠在微电子专业内新开课程能解决的,而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02年开始,也就是我读本科那一年。全国部分院校开始大面积开设“集成电路设计与集成系统“这一专业。后来随着”示范性微电子学院“的建设,这一专业的建设进入了新的阶段。然而由于没有独立的学科,集成电路设计与集成系统专业仍然逃脱不了原微电子专业课程设置和培养方案的制约。例如在考虑到学生未来研究生深造的问题,在课程设置时不得不削减了对于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)的课时而去加强XX物理的课时。


以上是对本科培养的影响,在研究生培养层面学科的影响更大。因为研究生的招生是按照学科来进行的,研究生导师的评定和聘任也是依照学科来开展的。在前面谈到现在的集成电路已经突破的元器件的概念,在内涵和外延上已经包含了原有学科划分中很多其它学科的内容。但由于没有独立的集成电路学科,这就导致从事集成电路方向研究的老师其实分散在多个学科内部。其中微电子/电子科学与技术占了较大一部分,但是仍然还是有很多老师分布在如通信、计算机、仪器仪表甚至自动控制等学科中。但由于这些老师不是这些学科的“主流”,因此在职称评定、研究生名额分配等方面都受到了一定程度的挤压甚至是打压。


此外,由于我国的学科建设是按照学科评估的方式来进行考评的,而我国的科研考评体系常年来受“五唯”影响较为严重。虽然自去年以来国家已经开始对这一问题加以重视和纠正,但在建立起新的有效评估体系之前仍然无法有效的消除这一影响。对于集成电路这一研究领域而言,无论是发论文还是拿经费的“效率”显然是不高的。在没有独立学科的情况下搞集成电路的老师在各方面考评先天的就处于弱势地位。作者之前经常半开玩笑半认真的说过,如果以“唯论文”的标准,搞集成电路的研究就是自己在“找死”。以信号处理方向为例,很多时候用Matlab写完几百行甚至一百多行代码跑几个曲线已经足够发表一篇论文了。而如果要继续把这算法变成芯片(或者至少设计出芯片的原型吧),至少又是半年多到一年的时间。搞不好最后你还发现做完了芯片发表出来的论文的“影响因子”和“分区”还不如之前纯算法能发的高。在这种指挥棒的牵引下,自然很多老师为了自己的“生存”而不得不转行。这方面的故事很多,篇幅有限就不一一展开了。


当然,以上的这些问题要想从根本上解决,归根结底还是需要我国建立更为完善的人才培养制度、考评制度等制度上的建设和改革。但在现阶段无法一步到位建成理想制度的前提下,通过将集成电路设立为一级学科,使得集成电路的人才培养方案可以相对独立的制定,使得从事集成电路研究的老师能够有所依托。这应该是目前解决我国集成电路人才培养和技术研究瓶颈最为现实的方法。


通过建设集成电路一级学科,我们可以理顺当前集成电路学科与其它相关学科的关系,使之符合当今技术的发展状况。可以针对集成电路人才培养的特点,相对独立的合理规划本科专业培养方案和课程内容。可以设置更为符合集成电路学科特点的考评体系和研究生招录、培养模式。从而为缓解我国在集成电路人才培养问题上的窘境奠定较好的基础。这也是推动设立集成电路一级学科的重大意义所在。


当然,设立集成电路一级学科尚未完全尘埃落定。而集成电路成为一级学科以后,仍然只是一个建设的起点。能够真正的把这学科建设好发挥出应有的作用,才符合设置这一学科的初心。如何建设这一学科,相信很多专家自然有自己的意见。作者在此斗胆说几句自己的想法,权作抛砖引玉。


首先是需要理顺集成电路学科内部的各个子方向/二级学科,明确自身的定位和任务。根据作者以上图片中对于学科发展的分析,作者建议可以参考国家重点研发计划“光电子与微电子器件及集成”重点专项的划分方法。将集成电路学科划分为:集成电路与系统芯片、集成电路设计方法学、器件与工艺技术三个子方向。


其次就需要在划定的学科范围内,根据三个子方向设置合理的本科和研究生课程,从而全面的培养符合集成电路实际需求的人才。例如在集成电路设计方法学这一方向上应加强数学、计算机算法与微电子器件技术的融合,使学生有能力编写仿真/模拟软件。


最后,也是最重要的一点。需要按照学科范围均衡合理的引进、培养师资力量。从而保障学科良性均衡的发展,从长远的角度为国家的战略需求稳定的输送人才。