芯片院士吴汉明：明明是工科问题，却感觉整个教学系统理科化倾向严重

点击：  作者：王湘蓉    来源：光明日报教育家杂志社今日头条号  发布时间:2022-12-14 11:42:51

 

吴汉明

 

芯片制造，是一个国家综合实力的重要体现，也是现代信息社会的基石。中国集成电路产业受到国外从技术到人才方方面面的扼制，如何走出这个“技术环境困局”，中国必须寻找新的突破，归根到底人才是关键。“芯片产业的人才培养，并不是某个专业或某个学科可以独立支撑，而是需要构建一个契合产业发展的工程师培养生态系统。”吴汉明谈道，在新工科建设中，尤其集成电路专业的人才培养，核心是崇尚工程文化。

 

在我国集成电路产业制造领域，吴汉明作为资深专家、院士，已躬耕该领域30多年，为国产芯片产业的大生态系统建设贡献了智慧，也付出了努力，助推“中国芯”从微米走进纳米时代。

 

集成电路制造专家，中国工程院院士，浙江大学微纳电子学院院长。

1976年毕业于中国科学技术大学，1987年毕业于中国科学院力学研究所，获博士学位。曾在美国加利福尼亚大学伯克利分校进行博士后研究，曾任中芯国际研发副总裁。获得“北京学者”“ 十佳全国优秀科技工作者”和“全国杰出专业技术人才”等荣誉称号。作为主要成员，三次获国家科技进步二等奖，多次获省部级科技奖。

 

01

工程文化特征是尊重工程创新性，而不仅仅是科学创新性

 

从工业文明的大门被开启，人类的脚步就在匆匆追赶技术的变化，不断追求创新和进步，勇于改变的精神积累了浩瀚的力量，从而也奠定了工程文化的价值。那么，工程文化的具体特征是什么？吴汉明认为，技术的产生不能仅仅局限于结果，要重现过程，一个创造、应用、再创造的动态过程，这是工程文化的内涵和标志。具体特征主要是尊重工程的特点与规律，尊重工程创新性，而不仅仅是科学创新性。他举例进行了阐述，从1947年贝尔实验室发明了第一个晶体管，集成电路领域就实现了0到1突破性的科学创意，后面的1到100实则是把创意落地成产品、把科学转化为生产力的过程。针对当下我国集成电路产业的现状，吴汉明谈道，“我们已从0到1走出来了，下面的1到100怎么走，主要是工程问题，我们的集成电路面临的问题，是对工程文化的忽视”。

 

吴汉明认为对工程文化的忽略体现在三个方面，一是太注重科学导向；二是聚焦单点突破，忽视系统突破；三是成本观念不强。他对科学家和工程师进行了描述，他认同许多专家的观点，“科学家应该是会动手的工程师，因为他要做大量实验，要把自己的设计体现出来；而工程师应该成为会动脑的科学家，才能实现技术创新。科学和工程相互融合，不能割裂看待”。

 

在采访中，当被问及是科学家还是工程师的时候，吴汉明笑道，感觉都不是，因为两头都占。曾经在中科院工作了17年，后来到美国硅谷做产业，回国后开始做工程，横跨科研和工程两个领域的吴汉明对科学问题和工程问题有自己的见解。

 

针对科学导向偏重的问题，吴汉明举例道，从原始创新的角度讲，中国在1958年就研究出了第一块硅单晶，比美国晚6年，比日本早2年。当时国家虽然穷，但该项科研突破仍然排在世界前列。随着以产能增加为标志的产业发展，中国与其他国家的距离逐渐被拉开，这就是一个典型的仅仅依靠科学导向、忽视工程科学的结果。吴汉明表示，芯片制造不是科学原理需要突破的问题，科学原创问题少之又少，而是体系化、系统性工程技术突破的问题。

 

针对忽略系统突破的问题，吴汉明坦言，“我们不能局限于某一单项技术的引进和突破，单点突破只是一个单元进步，无法实现集成电路产业发展，因此需要重视系统性突破”。集成电路产业的复杂性在于特别讲究成套工艺，产业链需要整个生态环境的同一性、统一性，供应链上每个环节都要达到一定层次，才有一流的成果，需要大量不同专业背景的工程师一起协作。做科学研究通常讲一个突破，因为一个单点研究的突破就可以发篇文章，但是工程仅在单点突破上做文章，就做不好一流产品。比如芯片制造，一个28纳米技术节点，打比方需要有1000步的工艺，要突破1000个点才能形成一个产品，突破了999个，有1个没突破，就生产不出好产品。最短的短板决定了工程水平，芯片999个点技术水平是世界一流的，有1个点是世界二流的，这个产品就是二流的。芯片制造工艺中的核心技术看起来有很多，其实最短的板就是核心技术。

 

针对成本观念不强的问题，吴汉明表示，对集成电路的累积性所彰显的工程文化要有清晰认识，一定要重视整个产业链生态的塑造和按市场成本原则配备的工业生产能力，工程文化的核心是成本意识。科学技术的创造和发展，其主要目的是解决人们生产生活中的实际问题，在工程设计过程中，会有许多制约性因素和条件边界，成本问题就是关键。吴汉明谈道，“比如3纳米、5纳米芯片或者光刻机，要不讲成本配置的精雕细琢我们都能做出来，但是一旦产业化就必须考虑成本，因为这里面没有明显要突破的科学原创问题，都是工程中成千上万的关键技术问题。要真正推进产业化进程，就必须要考虑成本，因为做出来的产品是给大家用的，成本太高就没有市场竞争力。工程文化九九归一，我觉得最后就归到成本上来了。”科研讲突破，工程就是讲成本，这有本质区别。吴汉明感慨道，经常说要改变世界，成本太高了，改变不了世界。

 

我国有着现代工业社会宏大的动员能力和组织力量，这是工程文化的重要力量来源。吴汉明指出，芯片制造需要有新型举国体制，也要注重优化资源配置，要基于现有基础一步一个脚印地向前走。他对国产芯片有信心，也有压力，“未来五年，在现有的工艺基础上，我们有可能研发出可生产的7纳米技术节点的成套工艺，但可生产的高端光刻机因为没有基础，所以还有很长的路要走”。

 

02

我们今天面临的工程问题，说明我们工程教育存在问题

 

从中国现实出发，如何支撑制造强国，工程学科必然要给出解答：形成实践性工程思维的方法论，进而提炼出适应国家需要的体系化工程思维模式，并让学生对工程文化产生自觉性理解，唤醒人的创造力量，从而达到超越知识性的跃迁。

 

创新型集成电路专业的人才培养，并非朝夕之功，要让学生真正了解产业需求，能够解决关键问题，需要他们对工程文化的认同和践行。“崇尚工程文化要形成一种思维模式，工程人就应该有这样的一种思维，我们今天面临的工程问题，说明我们工程教育存在问题，我们应该从中小学开始培养学生的动手能力和科学素养，以及对科技的兴趣。”对于工程教育，吴汉明有着自己清晰的思考。他坦言，回顾摩尔定律发展的60年，基本上都是工程师在推动工程文化的发展，后摩尔时代，工程文化建设重点是重塑工科人才培养的理念。

 

自2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》发布以来，中国集成电路产业发展迅猛，人才缺口巨大。面对现实问题吴汉明很焦急，“集成电路对人才需求非常强烈，预测到2025年，我国需要70万左右集成电路工程师，但是满打满算只有50万的培养能力，到2025年20多万的人才缺口怎么补？”

 

芯片制造是工程，也是艺术，在制造过程中要求全方位的卓越，工艺几乎达到人类生产技术的极限。集成电路产业链的复杂性，要求人才培养需从学科分布到专业设计进行科学、系统规划。

 

从产业结构来看，集成电路产业链上游包括材料和设备，其中光刻机是晶圆制造的核心设备之一，这是我国自主技术薄弱环节。集成电路产业链中游可分为设计、制造、封装三个环节，从芯片设计看，目前在全球前十大芯片设计公司中，中国占一席之地。在芯片制造环节，虽然已有部分制造工艺水平接近世界先进水平，但主要依赖国外先进设备，无法自主实现产业迭代升级，造成“卡脖子”现象。在封装测试领域，中国近年来在产能基础上部分技术实现了很大突破，为产业长足发展奠定了良好基础。集成电路产业链下游，随着我国汽车电子、网络通信、计算机等领域的高速发展，市场对芯片需求也进入了迅速增长期，中国芯片产业的快速发展时期来临。

 

当前，中国高端芯片受制于人，人才不足难以支撑产业发展仍然是主要问题。“需要在培养和人才引进两条路径上下功夫，尤其是大学要肩负起人才培养的历史责任。”吴汉明介绍道，集成电路从原材料开始，包括装备、材料、设计工具等产业链非常长，在人才培养上需要全方位的涵盖。必须把离散的交叉学科进行整合，形成相对完备的教学体系；把不成系统的技术链接起来，转化成产品；把冗长的产业链集成起来，促进产能提速。

 

针对集成电路人才培养特征，大学需要在工程文化的科学性、严谨性方面对学生加强教育。吴汉明表示，工程文化教育有六大特点，第一要让学生知道遵循工程规律，第二要懂得遵循工程的系统性，第三要养成工程科学的严谨性，第四要重视制造设计一体化，第五要全方位了解产业，第六是了解集成电路的成套工艺。“对一般的工科大学至少在集成电路专业我比较了解，明明是工科的问题，是工程教育问题，却感觉整个教学系统理科化倾向严重，比如也要发一定数量的论文等。工程教育如果按照这种思路办，很多具体的工作是做不起来的。”吴汉明认为，中国20多年来集成电路制造产业发展的经验和教训表明，总体上论文对芯片制造产业的技术发展影响不大。

 

吴汉明犀利地指出，对工程文化的忽略是工程教育一个非常严重的问题。没有工程文化的塑造，工程教育将缺失对学生人文精神和良好职业道德的培养。仅从科学研究的角度出发，老师每年只写写论文，不到产业上动手实践，是培养不出优秀工程师的；如果要求研究生必须发表多少篇论文才能毕业，必然会导致他们根本不愿意动手把一个产品做出来，做产品是工程问题，很难发文章，老师和研究生自然不愿干。“工程教育评价方式不科学，也是工程文化缺失的一个集中表现。”

 

03

集成电路专业的学生不知道晶体管在硅上是怎么做出来的，说明产教脱节很严重

 

“现在我们集成电路专业的学生，许多都不知道芯片是怎么做出来的，不知道晶体管在硅上是怎么做出来的，说明产教脱节很严重。”在集成电路领域，人才培养与传统培养方式有明显区别，更加注重培养学生实操能力和解决实际问题能力。面对我国集成电路人才培养产教脱节的现状，吴汉明认为集成电路专项人才培养要深度推进产教融合，工程师培养需要一个新的产教融合、科教协同建设方案，创造真实学习场景是人才培养的关键。

 

三年前，吴汉明加盟浙江大学时就表示，希望培养青年一代参与研发成套工艺的大生产技术，服务国家战略需求。但他谈到产教融合时有些无奈，派学生到芯片制造龙头企业里去，企业怕把生产线搞乱了，真正意义上的产教融合实效并不理想。但是产教融合是集成电路人才培养的支柱，工程师是在工程的环境中长出来的，所以需要有一个工程大生产平台。这个平台还可以把高校老师、学生的科研成果转化为产业生产。

 

2021年6月，由吴汉明牵头的大工程装置12英寸55纳米CMOS集成电路芯片设计与制造成套工艺技术公共创新平台正式建成。“大家都知道大科学装置，但好像没有听说国家建立大工程装置。科学装置是发现事件，做别人没有的‘无人区’的事；大工程装置是把技术成果产业化，支撑产业发展。希望能看到国家层面有支持大工程装置建设的政策。”吴汉明建议道。

 

芯片制造涉及的系列技术成果，要能进行工程转化，成为可制造生产的、可产业化的产品，这个转化过程核心是演示生产的可行性，“技术再好，发了论文也拿了不少奖，这些都不是重点，重点是可生产，这就需要一个中试环节演示生产的可行性，公共的中试环节国内几乎是缺失的”。吴汉明坦言，我国高校许多突破性研究成果，因为没有中试环节，无法推进到大生产。“我回国23年了，没有看到以成套工艺为主的芯片制造技术得到研究机构或高校实质性支持，成果一大堆，获奖无数，但是这些成果是不是可制造，是不是在大生产里用起来了呢？这是非常值得我们思考的。”

 

对于平台今后的运行，吴汉明有更深层的思考，“平台在高校间及学生培养方面将是开放、共享的”。他认为各高校应该对各自技术成果开源，共同合作。高端集成电路制造需要上千步工艺，北大、清华、复旦等都有一些研究成果，但都不是成套工艺，而是某些点上的突破，如果把这些1000个点上的突破串起来，就能形成一个产品，可以整体提升国家自主成套集成技术的攻关能力。“平台可以把各研究所和高校离散的工艺技术成果集成为成套工艺制造技术，为国家集成电路产业发展提供真正的支持。”

 

在吴汉明心中，他更为看重平台的育人功能，他希望为国内高校集成电路专业学生提供制造设计一体化的全流程培训，“学生在毕业前能有机会到平台实习1—2个月，亲自用手做一遍，就知道芯片是怎样做出来的，这是我的一个期待”。吴汉明笑道，产教融合、科教融合，说到底就是让老师和学生动手去做，在真实的实践中能够造就工程师独特的工程哲理和专业精神。

 

04

要培养学生耐得住寂寞的工程师精神

 

当下，科技资源可以在全球范围内优化配置，先进技术和科技研发跨国界的流动和转移已成为常态，但中国芯片产业所面临的严峻挑战充分表明，国产芯片必须坚定不移地走自主研发的道路。如果说技术的创造是自由的，而技术市场却不是自由的，因为技术市场普遍存在人为打造现象，拥有技术的主动权在技术市场中至关重要。通过大量实例分析可以看到，市场换不来技术，技术市场是有围墙的，只有开辟自主的新技术空间，才能实现真正的技术市场自由，而支撑这些的是拥有对工程文化有深刻认识和卓越创造力的工程科技人才。

 

为了国产芯片产业的发展，在人才培养上，吴汉明花了很多心思。根据集成电路专业的工程性及学科交叉性特点，他从产业界聘请了很多资深工程技术人员到学院授课，也从浙江大学化工、材料科学等学院聘请了许多基础学科教师到学院兼教，但他仍觉得工程教学力量不足。他有个愿望，就是编写一套芯片制造的教材，和培养出一批带着工程技术的老师，为国家产业发展作贡献。

 

吴汉明有独属于那一代人的生命历程，初二没读完就下乡种地了，多年的田间劳作让他性格更为坚毅。到中国科技大学读书后，作为工农兵大学生，文化功底弱，老师没少给他开小灶，也正是在此期间，没白没黑的学习经历，他对教师这个职业有了新的认识，也磨砺出了自信和沉静。1978年考上研究生后，多年的国内外学习和工作经历，让吴汉明对事物的认知更通透，针对现在许多大学生不愿进工厂的现状，他反复强调要造就工程文化，培养学生耐得住寂寞的工程师精神。

 

当年吴汉明参评院士时，有位老院士直白地问道：成千上万个集成电路工程师，为什么要选你当院士？吴汉明回答道，我从事几十年芯片制造，20年前有好几百人从国外回来，后来留下来继续在芯片制造领域工作的没几个，我就是一口气干到现在还在干这个事儿。正是这句朴素的话语打动了评委们。吴汉明觉得自己很幸运，而这个“运气”可能正是源自甘坐几十年冷板凳的坚持。

 

吴汉明有个梦想，他希望“一生一芯”，不仅仅是一个学生做一个芯片，而是一生做芯片，“人的一生很短暂，对自己喜欢的事情认准了就要坚持下去。尽管接下来我国芯片发展道路坎坷漫长，我依然会在芯片制造‘第一现场’坚守”。老夫聊发少年狂的吴汉明将用自己的行动诠释对芯片事业的执着。

 

历史上各种力量的交织与相互作用，成就了今天的社会状态。从第一个晶体管诞生，到微电子技术参与造就的信息时代，让人们坐拥当今世界最伟大的工具和系统。可以说，这是历史中每个人、每位科技工作者努力触碰未知的结果。正如吴汉明谦逊的话语，在他牵头的重大项目攻关中，没有“个人英雄”，只有数以千计的科技工作者无私奉献与奋斗，才做出了出色的业绩。未来很长，信息时代张开浩瀚无垠的大网，吴汉明与每位科技工作者在网络某些节点触发的变化，正推动当下，也塑造未来。

 

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来源 | 本文刊于《教育家》2022年11月刊第4期，原标题《工程师是在工程的环境中长出来的——专访中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明》

文｜本刊记者 王湘蓉

来源：光明日报教育家杂志社今日头条号