《后摩尔时代型微电子人才培养》
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摘 要：随着工艺的进步,微电子科学进入后摩尔时代,“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”并存的发展趋势对微电子专业人才提出了更高的要求.本文对如何培养满足当下社会产业需求和未来专业发展需要的研究型人才,从培养方案顶层设计、交叉基础学科知识补足、专业应用能力深化、专业创新潜力增强、多元化复合型实践体系构建、专业视野拓展等几方面提出了几点思考,希望能对高校微电子专业建设和人才培养提供一点借鉴.
关键词：后摩尔时代；微电子；人才培养
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0214-03
一、微电子学科的后摩尔时代
作为一个与社会经济生活联系紧密的学科,发源于半导体物理的微电子专业聚焦于对电子器件和集成电路的研究,为整个电子产业和信息社会从基础单元层面提供着支撑.从2000年的《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（18号文件）,到2011年的《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（4号文件）,再到2014年的《国家集成电路产业发展推进纲要》,国家持续不断地给予鼓励和引导,使得我国的微电子集成电路产业得到了迅速的发展.
与此同时,随着工艺尺度逐步进入纳米级范畴,硅基工艺面临的困難不断增多,微电子技术工艺节点进步的速度逐步放慢.2016年,国际半导体路线图组织（International Technology Roadmap for Semiconductor,ITRS）宣布从20世纪70年代起支撑微电子产业发展长达半个世纪的摩尔定律（Moore’s Law）已不再适用[1].“夕阳产业”的危机一时间笼罩于整个微电子领域之上.临此微电子学科的后摩尔时代,如何保持长期稳定的发展,成为微电子学科的必答题,也是高校微电子人才培养所必须关注的问题.
目前而言,广受认可的微电子学科发展趋势可分为以下三类：“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond Moore”.其中,“More Moore”沿着现行道路继续前进,寻求对工艺尺度的进一步缩减,尽量挖掘成熟硅工艺的潜力.这一发展趋势的优点是方法成熟,近期效果较为确定,实用性强.例如,Intel、IBM和三星等正在积极推进7nm和5nm的硅工艺.其缺陷是由于硅在纳米尺度下量子效应的限制,进一步减小工艺尺寸的前景并不乐观,终点似乎就在眼前.
“More than Moore”是对现有主要依赖工艺进步的道路做出审视,从器件架构、系统体系等多个角度寻求改变.例如,采用多层堆叠的形式提高单位面积的器件密度,使用多核或异构体系提升系统的处理能力等.这一发展趋势在不缩减工艺尺度的情况下延续了微电子器件和系统性能的提升,与现有工艺有较好的结合且具备一定的发展空间.
“Beyond Moore”则更为激进.彻底跳出硅材料和传统MOET结构的限制,采用在纳米尺度下具有优良特性的新型材料（如碳纳米管、石墨烯、二硫化钼等低维材料）,开发基于新物理机理的器件（如自旋器件、量子点器件等）,走出一条全新的道路.这一发展趋势不确定性强、难度大、现有产业化基础薄弱,但其为微电子学科的发展打开了一扇全新的大门,具备着广阔的发展空间.
二、社会需求与专业发展的并重
分析以上三条道路,其中任何一条都有着自己的优势和弱点,其相互结合并随着学科和产业的发展变革而不断调整才是最好的发展方式.例如,立足于满足当下对电子信息社会发展支撑的需求,以“More Moore”为基础辅以“More than Moore”的局部变革,是微电子产业界的主流趋势.一方面,集成电路的主力设计节点继续下沉,从0.18um,0.13um发展到95nm,70nm；另一方面,并行体系、异构系统等新的设计思想不断涌现,保证了微电子产业发展近期的稳定性.而考虑到学科的发展和未来,推进对“Beyond Moore”的探索则尤为重要.目前,截止频率高达数百GHz的石墨烯场效应管[2]、电流密度超过硅的碳纳米管阵列[3]均已在实验室环境下实现了制备,微电子学科逐步过渡到“Beyond Moore”的道路已悄然显现.
在此微电子学科及产业发展的历史变革之期,一方面,作为与社会经济生活紧密结合的工科专业,微电子专业人才需要满足“More Moore”路线下对具备现行硅基微电子工艺和微电子设计技术的要求,拥有较好的实践能力和应用能力,能迅速投身到产业生产之中.另一方面,面对“Beyond Moore”道路中微电子行业将来可能出现的原理和方法的重大变化,微电子专业人才需要掌握相关的新的科学知识及技术手段,具备适应变化以致引领变化的能力,为其长远的发展打下基础.
以上两方面,需要使学生既能满足社会对产业应用能力的需求,又要适应专业发展对学术研究能力的提升,这两大需求无疑对微电子专业的人才培养提出了更高的要求.在当今大力发展微电子产业的背景下,各高校在满足社会需求方面大力探索,通过校企结合[4]、分段式培养[5]等方式在微电子应用型人才的培养上做出了很多卓有成效的工作.但对于面向以“Beyond Moore”为代表的后摩尔时代微电子学科和产业的未来发展趋势,建立相应的人才培养机制方面则需要大力加强,尤其对于研究型人才的培养.
三、人才培养的几点思考
针对这一问题,从以下几点做出一些思考,希望能对微电子专业人才培养的可持续发展做出一些探索.
(一)从顶层设计上重视后摩尔时代给微电子专业带来的变革
国家当前正大力促进专业认证、专业评估等规范大学教育专业建设工作.借此时机,根据“以学生为中心,以结果为导向（Outcome based education,OBE）”的现代人才培养的基本原则,对人才培养方案由顶至底进行全方位的梳理.树立微电子人才满足产业需求和专业发展并重的培养目标；分解形成培养学生责任感、专业知识、创新能力、解决复杂问题、信息应用、沟通表达、团队合作、国际化视野及终身学习等9大能力的具体毕业要求；构架落实能力培养的课程体系设置矩阵；并建立效果反馈机制,确保培养目标的达成.
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