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芯片院士吳漢明：明明是工科問題，卻感覺整個教學系統理科化傾向嚴重

點擊：  作者：王湘蓉    來源：光明日報教育家雜志社今日頭條號  發布時間:2022-12-14 11:42:51

 

吳漢明

 

芯片制造，是一個國家綜合實力的重要體現，也是現代信息社會的基石。中國集成電路產業受到國外從技術到人才方方面面的扼制，如何走出這個“技術環境困局”，中國必須尋找新的突破，歸根到底人才是關鍵。“芯片產業的人才培養，并不是某個專業或某個學科可以獨立支撐，而是需要構建一個契合產業發展的工程師培養生態系統。”吳漢明談道，在新工科建設中，尤其集成電路專業的人才培養，核心是崇尚工程文化。

 

在我國集成電路產業制造領域，吳漢明作為資深專家、院士，已躬耕該領域30多年，為國產芯片產業的大生態系統建設貢獻了智慧，也付出了努力，助推“中國芯”從微米走進納米時代。

 

集成電路制造專家，中國工程院院士，浙江大學微納電子學院院長。

1976年畢業于中國科學技術大學，1987年畢業于中國科學院力學研究所，獲博士學位。曾在美國加利福尼亞大學伯克利分校進行博士后研究，曾任中芯國際研發副總裁。獲得“北京學者”“ 十佳全國優秀科技工作者”和“全國杰出專業技術人才”等榮譽稱號。作為主要成員，三次獲國家科技進步二等獎，多次獲省部級科技獎。

 

01

工程文化特征是尊重工程創新性，而不僅僅是科學創新性

 

從工業文明的大門被開啟，人類的腳步就在匆匆追趕技術的變化，不斷追求創新和進步，勇于改變的精神積累了浩瀚的力量，從而也奠定了工程文化的價值。那么，工程文化的具體特征是什么？吳漢明認為，技術的產生不能僅僅局限于結果，要重現過程，一個創造、應用、再創造的動態過程，這是工程文化的內涵和標志。具體特征主要是尊重工程的特點與規律，尊重工程創新性，而不僅僅是科學創新性。他舉例進行了闡述，從1947年貝爾實驗室發明了第一個晶體管，集成電路領域就實現了0到1突破性的科學創意，后面的1到100實則是把創意落地成產品、把科學轉化為生產力的過程。針對當下我國集成電路產業的現狀，吳漢明談道，“我們已從0到1走出來了，下面的1到100怎么走，主要是工程問題，我們的集成電路面臨的問題，是對工程文化的忽視”。

 

吳漢明認為對工程文化的忽略體現在三個方面，一是太注重科學導向；二是聚焦單點突破，忽視系統突破；三是成本觀念不強。他對科學家和工程師進行了描述，他認同許多專家的觀點，“科學家應該是會動手的工程師，因為他要做大量實驗，要把自己的設計體現出來；而工程師應該成為會動腦的科學家，才能實現技術創新?？茖W和工程相互融合，不能割裂看待”。

 

在采訪中，當被問及是科學家還是工程師的時候，吳漢明笑道，感覺都不是，因為兩頭都占。曾經在中科院工作了17年，后來到美國硅谷做產業，回國后開始做工程，橫跨科研和工程兩個領域的吳漢明對科學問題和工程問題有自己的見解。

 

針對科學導向偏重的問題，吳漢明舉例道，從原始創新的角度講，中國在1958年就研究出了第一塊硅單晶，比美國晚6年，比日本早2年。當時國家雖然窮，但該項科研突破仍然排在世界前列。隨著以產能增加為標志的產業發展，中國與其他國家的距離逐漸被拉開，這就是一個典型的僅僅依靠科學導向、忽視工程科學的結果。吳漢明表示，芯片制造不是科學原理需要突破的問題，科學原創問題少之又少，而是體系化、系統性工程技術突破的問題。

 

針對忽略系統突破的問題，吳漢明坦言，“我們不能局限于某一單項技術的引進和突破，單點突破只是一個單元進步，無法實現集成電路產業發展，因此需要重視系統性突破”。集成電路產業的復雜性在于特別講究成套工藝，產業鏈需要整個生態環境的同一性、統一性，供應鏈上每個環節都要達到一定層次，才有一流的成果，需要大量不同專業背景的工程師一起協作。做科學研究通常講一個突破，因為一個單點研究的突破就可以發篇文章，但是工程僅在單點突破上做文章，就做不好一流產品。比如芯片制造，一個28納米技術節點，打比方需要有1000步的工藝，要突破1000個點才能形成一個產品，突破了999個，有1個沒突破，就生產不出好產品。最短的短板決定了工程水平，芯片999個點技術水平是世界一流的，有1個點是世界二流的，這個產品就是二流的。芯片制造工藝中的核心技術看起來有很多，其實最短的板就是核心技術。

 

針對成本觀念不強的問題，吳漢明表示，對集成電路的累積性所彰顯的工程文化要有清晰認識，一定要重視整個產業鏈生態的塑造和按市場成本原則配備的工業生產能力，工程文化的核心是成本意識?？茖W技術的創造和發展，其主要目的是解決人們生產生活中的實際問題，在工程設計過程中，會有許多制約性因素和條件邊界，成本問題就是關鍵。吳漢明談道，“比如3納米、5納米芯片或者光刻機，要不講成本配置的精雕細琢我們都能做出來，但是一旦產業化就必須考慮成本，因為這里面沒有明顯要突破的科學原創問題，都是工程中成千上萬的關鍵技術問題。要真正推進產業化進程，就必須要考慮成本，因為做出來的產品是給大家用的，成本太高就沒有市場競爭力。工程文化九九歸一，我覺得最后就歸到成本上來了。”科研講突破，工程就是講成本，這有本質區別。吳漢明感慨道，經常說要改變世界，成本太高了，改變不了世界。

 

我國有著現代工業社會宏大的動員能力和組織力量，這是工程文化的重要力量來源。吳漢明指出，芯片制造需要有新型舉國體制，也要注重優化資源配置，要基于現有基礎一步一個腳印地向前走。他對國產芯片有信心，也有壓力，“未來五年，在現有的工藝基礎上，我們有可能研發出可生產的7納米技術節點的成套工藝，但可生產的高端光刻機因為沒有基礎，所以還有很長的路要走”。

 

02

我們今天面臨的工程問題，說明我們工程教育存在問題

 

從中國現實出發，如何支撐制造強國，工程學科必然要給出解答：形成實踐性工程思維的方法論，進而提煉出適應國家需要的體系化工程思維模式，并讓學生對工程文化產生自覺性理解，喚醒人的創造力量，從而達到超越知識性的躍遷。

 

創新型集成電路專業的人才培養，并非朝夕之功，要讓學生真正了解產業需求，能夠解決關鍵問題，需要他們對工程文化的認同和踐行。“崇尚工程文化要形成一種思維模式，工程人就應該有這樣的一種思維，我們今天面臨的工程問題，說明我們工程教育存在問題，我們應該從中小學開始培養學生的動手能力和科學素養，以及對科技的興趣。”對于工程教育，吳漢明有著自己清晰的思考。他坦言，回顧摩爾定律發展的60年，基本上都是工程師在推動工程文化的發展，后摩爾時代，工程文化建設重點是重塑工科人才培養的理念。

 

自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發布以來，中國集成電路產業發展迅猛，人才缺口巨大。面對現實問題吳漢明很焦急，“集成電路對人才需求非常強烈，預測到2025年，我國需要70萬左右集成電路工程師，但是滿打滿算只有50萬的培養能力，到2025年20多萬的人才缺口怎么補？”

 

芯片制造是工程，也是藝術，在制造過程中要求全方位的卓越，工藝幾乎達到人類生產技術的極限。集成電路產業鏈的復雜性，要求人才培養需從學科分布到專業設計進行科學、系統規劃。

 

從產業結構來看，集成電路產業鏈上游包括材料和設備，其中光刻機是晶圓制造的核心設備之一，這是我國自主技術薄弱環節。集成電路產業鏈中游可分為設計、制造、封裝三個環節，從芯片設計看，目前在全球前十大芯片設計公司中，中國占一席之地。在芯片制造環節，雖然已有部分制造工藝水平接近世界先進水平，但主要依賴國外先進設備，無法自主實現產業迭代升級，造成“卡脖子”現象。在封裝測試領域，中國近年來在產能基礎上部分技術實現了很大突破，為產業長足發展奠定了良好基礎。集成電路產業鏈下游，隨著我國汽車電子、網絡通信、計算機等領域的高速發展，市場對芯片需求也進入了迅速增長期，中國芯片產業的快速發展時期來臨。

 

當前，中國高端芯片受制于人，人才不足難以支撐產業發展仍然是主要問題。“需要在培養和人才引進兩條路徑上下功夫，尤其是大學要肩負起人才培養的歷史責任。”吳漢明介紹道，集成電路從原材料開始，包括裝備、材料、設計工具等產業鏈非常長，在人才培養上需要全方位的涵蓋。必須把離散的交叉學科進行整合，形成相對完備的教學體系；把不成系統的技術鏈接起來，轉化成產品；把冗長的產業鏈集成起來，促進產能提速。

 

針對集成電路人才培養特征，大學需要在工程文化的科學性、嚴謹性方面對學生加強教育。吳漢明表示，工程文化教育有六大特點，第一要讓學生知道遵循工程規律，第二要懂得遵循工程的系統性，第三要養成工程科學的嚴謹性，第四要重視制造設計一體化，第五要全方位了解產業，第六是了解集成電路的成套工藝。“對一般的工科大學至少在集成電路專業我比較了解，明明是工科的問題，是工程教育問題，卻感覺整個教學系統理科化傾向嚴重，比如也要發一定數量的論文等。工程教育如果按照這種思路辦，很多具體的工作是做不起來的。”吳漢明認為，中國20多年來集成電路制造產業發展的經驗和教訓表明，總體上論文對芯片制造產業的技術發展影響不大。

 

吳漢明犀利地指出，對工程文化的忽略是工程教育一個非常嚴重的問題。沒有工程文化的塑造，工程教育將缺失對學生人文精神和良好職業道德的培養。僅從科學研究的角度出發，老師每年只寫寫論文，不到產業上動手實踐，是培養不出優秀工程師的；如果要求研究生必須發表多少篇論文才能畢業，必然會導致他們根本不愿意動手把一個產品做出來，做產品是工程問題，很難發文章，老師和研究生自然不愿干。“工程教育評價方式不科學，也是工程文化缺失的一個集中表現。”

 

03

集成電路專業的學生不知道晶體管在硅上是怎么做出來的，說明產教脫節很嚴重

 

“現在我們集成電路專業的學生，許多都不知道芯片是怎么做出來的，不知道晶體管在硅上是怎么做出來的，說明產教脫節很嚴重。”在集成電路領域，人才培養與傳統培養方式有明顯區別，更加注重培養學生實操能力和解決實際問題能力。面對我國集成電路人才培養產教脫節的現狀，吳漢明認為集成電路專項人才培養要深度推進產教融合，工程師培養需要一個新的產教融合、科教協同建設方案，創造真實學習場景是人才培養的關鍵。

 

三年前，吳漢明加盟浙江大學時就表示，希望培養青年一代參與研發成套工藝的大生產技術，服務國家戰略需求。但他談到產教融合時有些無奈，派學生到芯片制造龍頭企業里去，企業怕把生產線搞亂了，真正意義上的產教融合實效并不理想。但是產教融合是集成電路人才培養的支柱，工程師是在工程的環境中長出來的，所以需要有一個工程大生產平臺。這個平臺還可以把高校老師、學生的科研成果轉化為產業生產。

 

2021年6月，由吳漢明牽頭的大工程裝置12英寸55納米CMOS集成電路芯片設計與制造成套工藝技術公共創新平臺正式建成。“大家都知道大科學裝置，但好像沒有聽說國家建立大工程裝置?？茖W裝置是發現事件，做別人沒有的‘無人區’的事；大工程裝置是把技術成果產業化，支撐產業發展。希望能看到國家層面有支持大工程裝置建設的政策。”吳漢明建議道。

 

芯片制造涉及的系列技術成果，要能進行工程轉化，成為可制造生產的、可產業化的產品，這個轉化過程核心是演示生產的可行性，“技術再好，發了論文也拿了不少獎，這些都不是重點，重點是可生產，這就需要一個中試環節演示生產的可行性，公共的中試環節國內幾乎是缺失的”。吳漢明坦言，我國高校許多突破性研究成果，因為沒有中試環節，無法推進到大生產。“我回國23年了，沒有看到以成套工藝為主的芯片制造技術得到研究機構或高校實質性支持，成果一大堆，獲獎無數，但是這些成果是不是可制造，是不是在大生產里用起來了呢？這是非常值得我們思考的。”

 

對于平臺今后的運行，吳漢明有更深層的思考，“平臺在高校間及學生培養方面將是開放、共享的”。他認為各高校應該對各自技術成果開源，共同合作。高端集成電路制造需要上千步工藝，北大、清華、復旦等都有一些研究成果，但都不是成套工藝，而是某些點上的突破，如果把這些1000個點上的突破串起來，就能形成一個產品，可以整體提升國家自主成套集成技術的攻關能力。“平臺可以把各研究所和高校離散的工藝技術成果集成為成套工藝制造技術，為國家集成電路產業發展提供真正的支持。”

 

在吳漢明心中，他更為看重平臺的育人功能，他希望為國內高校集成電路專業學生提供制造設計一體化的全流程培訓，“學生在畢業前能有機會到平臺實習1—2個月，親自用手做一遍，就知道芯片是怎樣做出來的，這是我的一個期待”。吳漢明笑道，產教融合、科教融合，說到底就是讓老師和學生動手去做，在真實的實踐中能夠造就工程師獨特的工程哲理和專業精神。

 

04

要培養學生耐得住寂寞的工程師精神

 

當下，科技資源可以在全球范圍內優化配置，先進技術和科技研發跨國界的流動和轉移已成為常態，但中國芯片產業所面臨的嚴峻挑戰充分表明，國產芯片必須堅定不移地走自主研發的道路。如果說技術的創造是自由的，而技術市場卻不是自由的，因為技術市場普遍存在人為打造現象，擁有技術的主動權在技術市場中至關重要。通過大量實例分析可以看到，市場換不來技術，技術市場是有圍墻的，只有開辟自主的新技術空間，才能實現真正的技術市場自由，而支撐這些的是擁有對工程文化有深刻認識和卓越創造力的工程科技人才。

 

為了國產芯片產業的發展，在人才培養上，吳漢明花了很多心思。根據集成電路專業的工程性及學科交叉性特點，他從產業界聘請了很多資深工程技術人員到學院授課，也從浙江大學化工、材料科學等學院聘請了許多基礎學科教師到學院兼教，但他仍覺得工程教學力量不足。他有個愿望，就是編寫一套芯片制造的教材，和培養出一批帶著工程技術的老師，為國家產業發展作貢獻。

 

吳漢明有獨屬于那一代人的生命歷程，初二沒讀完就下鄉種地了，多年的田間勞作讓他性格更為堅毅。到中國科技大學讀書后，作為工農兵大學生，文化功底弱，老師沒少給他開小灶，也正是在此期間，沒白沒黑的學習經歷，他對教師這個職業有了新的認識，也磨礪出了自信和沉靜。1978年考上研究生后，多年的國內外學習和工作經歷，讓吳漢明對事物的認知更通透，針對現在許多大學生不愿進工廠的現狀，他反復強調要造就工程文化，培養學生耐得住寂寞的工程師精神。

 

當年吳漢明參評院士時，有位老院士直白地問道：成千上萬個集成電路工程師，為什么要選你當院士？吳漢明回答道，我從事幾十年芯片制造，20年前有好幾百人從國外回來，后來留下來繼續在芯片制造領域工作的沒幾個，我就是一口氣干到現在還在干這個事兒。正是這句樸素的話語打動了評委們。吳漢明覺得自己很幸運，而這個“運氣”可能正是源自甘坐幾十年冷板凳的堅持。

 

吳漢明有個夢想，他希望“一生一芯”，不僅僅是一個學生做一個芯片，而是一生做芯片，“人的一生很短暫，對自己喜歡的事情認準了就要堅持下去。盡管接下來我國芯片發展道路坎坷漫長，我依然會在芯片制造‘第一現場’堅守”。老夫聊發少年狂的吳漢明將用自己的行動詮釋對芯片事業的執著。

 

歷史上各種力量的交織與相互作用，成就了今天的社會狀態。從第一個晶體管誕生，到微電子技術參與造就的信息時代，讓人們坐擁當今世界最偉大的工具和系統。可以說，這是歷史中每個人、每位科技工作者努力觸碰未知的結果。正如吳漢明謙遜的話語，在他牽頭的重大項目攻關中，沒有“個人英雄”，只有數以千計的科技工作者無私奉獻與奮斗，才做出了出色的業績。未來很長，信息時代張開浩瀚無垠的大網，吳漢明與每位科技工作者在網絡某些節點觸發的變化，正推動當下，也塑造未來。

 

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來源 | 本文刊于《教育家》2022年11月刊第4期，原標題《工程師是在工程的環境中長出來的——專訪中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明》

文｜本刊記者 王湘蓉

來源：光明日報教育家雜志社今日頭條號