复旦大学微电子学院刘明院士讲述集成电路的发展与启示

4月16日下午，在复旦大学相辉堂北堂，中国科学院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长刘明以《夯实基础，做新时代的创新者——集成电路技术发展的启示》为题，面向信息、微电子、芯片、核技术、基础医学、药学等6个院系的2023级本科新生开讲“强国之路”思政大课。

技术创新引领集成电路产业发展

由20世纪最伟大发明之一——晶体管开始，刘明向大家讲述集成电路的发展史。晶体管的发明是建立在人类对于固体物理的深刻理解的基础上，尽管量子物理和能带理论都诞生在欧洲，但早在20世纪初期美国的很多学者都在利用量子理论阐明固体的特性。1940年美国物理学Seitz出版的现代固体理论（the modern theory of solids）至今都是经典，而晶体管的发明人巴丁、肖克利的博士论文都在利用Seitz提出的元胞理论计算特定半导体材料的能带和功函数，这为后续晶体管的发明奠定了基础。

而集成电路发展的最主要途径是晶体管的尺寸不断微缩，实现集成密度和芯片性能的不断提升，即遵循“摩尔定律”的发展路径。这条路径的发展不是只有一条预言性的“摩尔定律”，而是无数基础研究的科学家不断努力获得的。尺寸微缩是要解决微缩后的晶体管迁移率退化、漏电不断增加、寄生效应越来越复杂等一系列挑战。

为了面对这些挑战，基础科学和应用科学的探索起到了重要的作用。比如，材料科学领域，上世纪80年代的集成电路工艺中仅仅涉及12种元素，而今天的工艺至少有66种元素，每一种新元素都是无数次实验和探索的成果。器件结构领域，从CMOS平面栅结构到3维FinFET结构，半导体器件科学家通过立体化的方法提升微缩后的沟道静电控制能力。制造技术方面，数十年间涌现了沟道工程、源漏工程、栅工程等一系列新的工程研究方向，引入了应变硅沟道、high k金属栅等一系列新技术，以支撑材料/器件创新得以真正落地。设备领域，光刻机的发展更是不断突破，依靠光源、镜头的材料与结构、图形传递模式和算法不同学科的多元交叉创新，才有了今天的EUV光刻机。

在集成电路发明的同年，中国也开始了晶体管的研究。中国的集成电路技术和产业在过去20年快速发展，建立了较为完整的技术创新体系与产业布局，集成电路产品设计、制造、封测、装备和材料等五大板块齐整，初步具备了体系化的自主供给和创新能力。设计、制造、封装测试三业相对均衡地发展，产业链结构趋于合理。

有科学理想的人才能走得更远

志存高远做一个有趣的人

1834年法拉第发现硫化银电阻呈现出负温度系数，1874年布劳恩发现金属与某些晶体材料接触的整流效应……这些半导体现象成了19世纪的难解之谜。但科学家们严谨地总结这些实验现象，没有选择忽略。

刘明特别强调科学理想的重要性。在进入贝尔实验室后，肖克利把“用电子器件取代机械继电器”这一目标，作为工作的动力来源。

中国的集成电路的起步于老一辈科学家王守武、黄昆、汤定元、谢希德、黄敞、洪朝生、高鼎三等在50年代初相继从美英回国。黄昆、谢希德两位先生组建五校联合半导体教研室，系统培养了中国第一批半导体专业人才，他们中的很多人成为我国半导体和集成电路事业的领军人物和中坚力量。

刘明在报告中以一些实例介绍了半导体器件物理学家、微电子学家王守武先生。

1930年，年仅十岁的王守武写下充满家国情怀的文字：“诸位朋友，你们要救中国。你们要做中国的人。一定要大家尽责，大家负责。愿大家努力读书，努力前进。还愿将来努力救国，努力富国，努力强国。”

1950年，他在美国通过印度大使馆办理难民证辗转回国。“当时只想为祖国作点贡献，哪里需要就到哪里去……”6年后，他参加了五校联合半导体专门化教学工作，为五校的部分物理教师、四年级本科生及研究生讲授半导体物理课程。去世前，他将个人积蓄捐出，设立奖学金，奖励博士研究生勤奋学习、勇攀高峰，鼓励学子用知识改变命运，用实绩报效国家。“先生是一个人格朴素又特别高尚的科技工作者，他用一生的行动践行着十岁时的理想”，刘明说。

如今，集成电路领域新技术不断涌现，融合电子信息、物理、化学、材料、自动工程等多种科学技术及工程领域多种交叉学科和尖端制造技术，亟需有综合知识背景、交叉技术技能、融合创新等素质的综合性人才。“我希望大家珍惜大学四年时光，夯实基础、锻炼自学能力，保持独立思考，为自己一生打好基础。”

课程最后，刘明分享：“无论我们将来做什么，有多么远大的理想，首先要做一个内心强大又柔软、有同理心的普通人。拥有爱自己的能力、独立的见解、乐观从容的心态，有积极的行动力、爱读书的习惯。这些是我们一生幸福的根本保障。希望各位同学，既要心存高远，又要做一个有趣的普通人。”

课后，2023级集成电路领军人才班的周怡宁、药学班的程强带着好奇提问：“集成电路发展方向是什么？中国手机芯片与世界顶尖水平差多远？”刘明回答：“希望芯片功能越来越强大。尺寸微缩、系统集成，新材料、新器件的应用，这些都是努力的方向。中国的芯片能否超过世界顶尖水平，取决于今天在座的年轻人。”

2023级技科试验班胡帅、集成电路领军人才班的孟凡悦提问：“如何在课堂内外培养创新思维？”“对于学集成电路的或者工科的学生，应怎样把握学习基础理论的广度、深度和优先级？”刘明表示，扎实的理论基础和实验技能都非常重要，建议同学多了解行业必备的实验技能，多阅读不同书籍，培养独立思考的习惯。她寄语青年学子，不一定要选很多课，重要的是学到其中的方法，“要不断学习新知识，尽自己最大努力的前提下还要让自己游刃有余”。

学习感想

2023级技术科学实验班 胡家耀：

集成电路作为现代科技的核心之一，其发展历程展示了科技创新的无限可能性。刘明院士的分享让我们明白：夯实基础，即扎实的学科知识和技能，是成就创新者的基石。未来长路漫漫，刘明院士特别强调了科学理想的重要性。永葆积极的行动力、甘坐冷板凳的定力，才能在科学探索的道路上行稳致远。此外，刘明院士还介绍了王守武、谢希德等中国老一辈科学家的生动实例。这些感人故事提醒我们，作为科技工作者，除了追求学术成就，更要怀揣家国情怀。中国集成电路产业发展的道路依然任重而道远，我们当用知识改变命运，用实绩报效国家，以“攀登北坡不怕失败”的决定攻坚“卡脖子”技术，争做一个“卓越而有趣”的复旦青年。

2023级集成电路领军人才班 张天聚：

一枚小小的芯片，技术时刻更新换代，闪烁着创新的光辉，凝聚着世纪沉淀的智慧，更需要极尽繁杂的工序来制作，还要求数十家顶尖企业的合作。未来的世界风云多变，走在芯片人这条独特的道路上，我们的不仅仅是制作芯片的人，更要成为芯片一样的人——不抱残守缺，勇敢走在创新一线，大胆接纳新鲜事物；不固步自封，海纳百川广揽群贤，古代的现代的，西方的东方的，凡可学者皆笑纳；不急功近利，再难的工作也要一步步做好，再繁杂的事物也要一项项厘清。做芯片的人，更要成为芯片一样的人。

2023级集成电路领军人才班 支熠璠：

在第三次思政大课上，刘明院士带我们回顾了集成电路发展历程，展望了我国集成电路产业的前景，也分享了她自己欣赏的科学家。回顾集成电路短暂而辉煌的发展历程，众星璀璨中我们能看到许多华人的身影，勇于钻研、大胆创新的宝贵品质使他们能够不断提出新的思路、新的结构，促进了集成电路的发展；展望我国集成电路未来的发展，我们看到中国的产业链结构已经趋于合理，但在自给率等方面仍有不足，需要我们青年人做好准备、接过继续追赶的接力棒；刘明院士也给我们分享了王守武先生的家国情怀，“切实地求学问”意味着我们在本科期间，不能只为追求绩点而学习，更应该将学透知识、辨清各学科的本质作为追求，只有这样，我们才能在未来的科研、工作中，成为具有扎实学科基础的合格接班人。