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談到半導體人才,有兩所學校脫穎而出:一所是清華大學,另一所是加州大學柏克萊分校。這兩所學校,一所是國內的,一所是國外的,為中國晶片產業輸送了大量頂尖工程師、企業家和投資者,並透過代代相傳的校友關係孵化了一批又一批晶片公司。
清華大學學生朱一鳴的創業過程最生動地體現了這種校友關係:
2004年,物理系朱一鳴(89級)和半導體專業的舒慶明(85級)創辦了一家晶片公司,並結識了自動化系李軍(85級)。李軍幫助他們獲得了風險投資,並將公司介紹給了經濟系薛軍(83級)。
十二年後,這家名為兆易半導體(GigaDevice)的公司上市,如今市值接近100億美元。在創立兆易半導體之前,77級半導體巨頭陳大同已經創立了晶片設計公司展訊(Spreadtrum),該公司曾是聯發科(MediaTek)的強勁對手。
可以說,清華大學是中國半導體領域的主力軍,而這支主力軍中的王牌單位無疑是“清華半導體專業”,也就是現在的清華微電子研究所。它就像《明劍》中的“獨立集團”,戰鬥力極強。
清華大學微電子研究所成立於1980年,其前身可追溯至1956年清華大學設立的半導體專業。今年12月,值此清華大學微電子研究所成立40週年之際,我們的團隊從上海前往北京,對研究所進行了深入的交流與學習。我們聆聽了老教授們關於學習和為人處世的講座,也聆聽了清華大學歷代微電子學子講述他們在半導體領域的奮鬥歷程。
過去四十年裡,微電子研究所蓬勃發展,如今人才濟濟,在中國半導體領域譜寫了輝煌篇章。
01
萌芽:人才基金會
清華微電子的最初種子是由「八位將軍」和一位院士組成的。
1956年夏天,五所著名大學聯合在北京大學創辦了我國第一個半導體專業。清華大學派出曹培東、張建仁等八位青年教師前往觀摩學習。之後,清華大學聘請了從美國普渡大學回國的王守武院士擔任半導體教學科學研究組組長。由此,清華大學無線電工程系下屬的晶片研究團隊正式成立,形成了中西融合的特色。
這個教學科研小組是系上最小的,辦公室位於麗寨三樓,由幾間學生宿舍臨時騰出的房間組成。雖然設施簡陋,但研究領域卻可謂「蓬勃發展」:有的從事鍺器件研究,有的從事半導體收音機研究,有的從事整流器研究,有的從事光電器件研究,還有的從事矽材料研究。 1959年,蘇聯專家切爾金前來指導後,該團隊又增加了碳化矽非線性電阻的研究。
隨著該領域的不斷發展,清華大學也熱衷於擴充團隊,甚至採用了一些「巧妙的方法」。例如,曾任微電子系主任的李志堅「留在了清華這艘船上」。
1958年,李志堅從列寧格勒大學畢業後回到中國。他剛到北京火車站,就遇到了清華大學廣播系書記李傳新,李傳新親自到車站迎接他,並很快安排他到廣播系工作。在計畫經濟時代,李志堅以為這是單位的決定,所以欣然接受了。
但工作一段時間後,李志堅意外地收到了教育部發來的通知,告知他有三個選擇:清華大學、浙江大學和西安交通大學。事後,李志堅回憶說,當時自己也很驚訝,非常興奮能回到浙江老家,回到母校浙江大學。但是,考慮到自己已經到了清華大學,實在“難以割捨”,所以最終還是留了下來。
事實上,清華大學為了爭取李志堅的邀請做了充分的準備。清華大學教授張力曾寫信勸他;1957年,包括清華大學南德恆、馮慶彥和王天珏在內的三位學者也以「無線電電子學系半導體專業預備小組」的名義寫信邀請李志堅。
顯然,清華大學非常重視人才。李志堅在王守武院士之後,成為教學科學研究團隊的實際負責人,為清華微電子事業奠定了堅實的基礎。
1958年,清華大學教學團隊攻克了多晶矽技術的量產。同年,第一塊積體電路誕生,清華大學也提出將重點發展矽積體電路。七年後,摩爾-戈登提出摩爾定律,晶片發展進入高速發展階段。然而,即將迎來黃金時代的半導體產業卻遭遇了第一次波折:文化大革命爆發後,半導體產業被一分為二,大部分人遷往綿陽,只有一小部分人留在北京的作坊里工作。
在四川綿陽的那些艱難歲月,可以說是奇蹟,也是遺憾。清華人重建了實驗室,恢復了教學,並與成都的970工廠進行了產學研合作。北京的半導體車間也研發了許多產品。然而,就在同一時期,世界已經進入了大規模積體電路時代。英特爾相繼推出了第一款商用記憶體晶片和第一款微處理器,外部世界發生了翻天覆地的變化。
「文化大革命」後,綿陽分部在鄧小平同志的親自指導下完全撤回北京。為了趕上國際水平,這家半導體巨頭也進入了一個新的發展階段:脫離無線電部,正式成為研究所。
清華大學微電子研究所成立於1980年9月,當時僅有74名教師和61名學生,經費也十分有限,甚至連教學大樓的建設都亟待啟動。但在接下來的四十年裡,微電子研究所接連取得突破性進展,成為中國晶片產業的「黃埔軍校」。
02
成長:突破之旅
微電子研究所的成長,就像所有青少年一樣,充滿了遇到的困難和取得的突破。
這些年輕學者面臨的第一個十字路口是:矽還是鍺。
儘管矽的物理性質優於鍺,更適合半導體產業,但在1950年代末,鍺材料和裝置已經實現大規模生產並相當成熟;而矽技術當時正處於上升期,仍處於發展初期。因此,進行鍺研究時可參考和學習的資料較多,相對「安全」;而進行矽研究時可參考的資料較少,難度也較大。
由於資源有限,大家確實就這個問題爭論了一段時間。但最終達成共識:我們不該停止整流器的研究,但也要敢於展望未來。總得有人去研究「矽」。教學研究團隊甚至帶領1960屆的學生投資實驗室參與技術研究。
師生心意相通,力量足以穿透金屬。 1960年代中期至早期,微電子研究所已經掌握了矽平面技術和矽積體電路的研發,而美國這項技術才剛起步不到十年。
隨後,微電子研究所經歷了分裂,之後又重新合併。合併後不久,微電子研究所面臨第二個選擇:雙極型還是CMOS。
當時,四川綿陽的同事負責雙極型電路,北京的同事負責MOS積體電路。雙方再次面臨資源均等的選擇。雙方沒有考慮各自的現有投資,而是著眼於技術發展趨勢和國家利益。最終,他們再次達成共識,成立COMS,並在製程、裝置物理、電路設計和CAD技術等多個子方向上進行研究。
不久,在微電子研究所原有的教學科研實驗室基礎上,建成了第一條半導體超淨製程生產線;1989年,又建成了全國第一條1微米矽CMOS製程指導線。隨著新設備的到來,微電子研究所成為全國半導體院校艷羨慕的對象。然而,光鮮亮麗的背後,卻隱藏著默默的犧牲。
當時,由於超淨設備無法停機,研究所的幾位核心教師像雄鷹一樣輪流加班,維持生產線24小時運作。環境監測和淨化設備不足,師生只能“把毛巾折成八角”,擦拭桌椅地板,勉強保持生產線的清潔。更令人驚訝的是「如何繞過管控」。
由於受到「巴統」等法規的限制,清華大學進口的設備功能並不完善。這台蝕刻設備缺少終點偵測模組,這意味著機器無法判斷何時停止,導致蝕刻誤差和晶圓報廢。由於機器操作不便,微電子研究所的研究人員計劃依靠人工操作。
我們採用「即時人工觀察」的方式,透過顏色變化來判斷是否達到終點,並持續累積經驗以提升製程控制能力。這些故事聽起來很有趣,但也發人深省,提醒我們自力更生不只是一個詞,更是一個艱難卻正確的決定。
清華微電子克服的另一個挑戰是引進微影機。這體現了清華的國際視野,也離不開楊志連老師的努力。楊志連老師訪問荷蘭期間,促成了荷蘭代爾夫特理工大學微電子研究所與清華大學微電子研究所的「聯姻」。兩所研究所隨後開展了學者交流和聯合培訓的合作。這些因素促使ASML公司向清華捐贈了光刻機。
雖然設備齊全,但EDA軟體仍是一大難題。微電子研究所的許多畢業生經常前往機械工業部第一自動化研究所,使用從日本進口的製版系統和小型電腦進行電路模擬研究。他們使用的是清華大學計算機系編寫的SPICE程式。雖然該軟體較為簡陋,但在某種程度上也為我國晶片設計EDA軟體的後續發展奠定了基礎。
正是憑藉著這種獨立自主的精神和國際合作的視野,1990年,微電子率先在中國成功研發出整合1.06萬個電晶體的漢字記憶體晶片。這標誌著我國進入了超大規模積體電路(VLSI)時代,打破了「巴統」封鎖。時任清華大學黨委書記李傳新也激動地表示:“這麼少的人,這麼少的錢(15萬),做了這麼多事,取得了這麼高的成就!”
1993年啟動的「金卡工程」為展現中國自主能力提供了契機。當時,中國計劃在第二代證件中使用非接觸式IC卡技術,但這項技術的專利基本上掌握在海外公司手中,尤其是荷蘭飛利浦公司,該公司控制了90%以上的股份。
消息公佈後,海外公司紛紛展開“公關活動”,希望藉此獲得專案。然而,法律文件涉及大量敏感資訊,事關國家安全。因此,相關部門堅決提出「國內生產必須自主」。這項重要任務自然落在了清華微電子研究所等機構和企業的肩上。
微電子研究所的學者帶領研究生們成功地從簡單到複雜地開發了RFID技術和單工、雙工無線通訊樣品,並不斷突破高於國外技術的標準要素。最終,在2000年3月,微電子研究所成功開發出基於EEPROM的第二代IC卡晶片樣品,突破了專利封鎖,保護了國家資料安全。
從最初的技術壁壘到自主突破,清華微電子研究所“突破了所有障礙”,其從學術界向商業化的“核心”轉型也已開啟。該研究所的一批批學者已開始轉型,邁入商業化階段。
03
布魯姆:商業傳承
自成立以來,清華微電子及其姊妹系已為中國晶片產業輸送了三批創業人才。
第一組是“海外光明派”,以早年赴美留學的陳大同(77級)和鄧峰(81級)為代表。
在1990年代,兩人活躍於矽谷華人社區,分別創立了OmniVision Technology和Screen Company。相當有趣的是,他們都是微電子領域的資深導師。清華大學長期以來秉持的「教學相長」模式,也被這兩位來自北京的導師帶到了矽谷。他們直接招募了許多低年級學生赴美深造,為這兩家公司奠定了技術骨幹基礎。
昊威和Screen都是挑戰全球巨頭的典型新創公司。昊威由陳大同創立,利用CMOS技術擊敗了日本傳統的CCD感測器。 Screen由鄧峰創立,率先將晶片硬體應用於網路安全領域,對思科產生了衝擊。
短短幾年內,OmniVision 和 Screen 的上市也證明了清華微電子作為一個整體有能力生產顛覆性創新產品,並在全球晶片領域佔據主導地位。
第二組是「回國創業家」組,這是清華大學首批回國創業的創業家。代表人物包括吳平(79屆)、馮晨暉(85屆)、舒慶明(85屆)等人。
清華微電子校友回國創業的浪潮始於2000年中國推出的新積體電路政策。自1990年代以來,清華校友在矽谷形成了一個緊密的圈子。這個圈子經常探討潛在的創業機會,彼此之間互信度很高。隨著時間的推移,許多擁有微電子背景的清華校友開始意識到在中國晶片領域創業的巨大機會。
這一代回國創業的清華微電子畢業生有兩個特色。
第一個特點是促進年輕人和老年人、跨產業的合作。與不同專業和年齡的校友合作創業,可以獲得互補的優勢和資源。
吳平與陳大同聯手創立了展訊科技,從 2G 晶片起家;舒慶明與物理系大三學生朱一鳴(89 屆)聯手創立了兆芯科技,從存儲器 IP 起家,轉向 NorFlash 存儲器製造;馮晨輝與計算機科學系大三學生徐志涵(90 屆)聯名手創立了微型電視晶片公司,並成為微頻手機。
第二個特點是它們都出現在手機電子元件市場領域,這反映了清華微電子的創業風格:選擇一條大路,做實事。
展訊科技創立之初,避開了難度最高的3G晶片,首先專注於2G市場。在累積了業務基礎和市場經驗後,才進軍3G領域。兆創科技一方面避免了閉門造車、白手起家,而是透過收購完成了記憶體IP的累積。同時,它也從閃存入手,逐步拓展到NAND、DRAM等其他記憶體領域。卓勝偉科技則避開了功率放大器(PA)的難題,首先研發了開關和低噪音放大器。
後續事實也證明,在半導體領域,在美國技術的壓制下,創業可能需要從城市週邊的農村地區開始,首先在中低端地區站穩腳跟,擁有收入和商業基礎,然後再對高端產品市場產生影響。
第三組是“地方崛起派系”,以 85 級的趙偉國和於仁榮為代表。
清華大學歸國人員壯大了公司規模,為中國晶片產業留下了寶貴的種子。本土清華校友展現了敏銳的商業嗅覺,他們「縱橫交錯」地進行整合,提前開啟了中國晶片企業併購的新時代。
趙衛國在紫光集團主導了展訊和RDA等大型併購交易,而余仁榮則將海外的歐米視科技納入威信控股旗下。儘管當時中美並無摩擦,但雙方已加快步伐,在2018年前迅速完成了多起複雜的併購交易,為中國晶片產業的整合贏得了寶貴的時間窗口。
這三代創業者各懷使命,努力前行:第一代赴美矽谷留學創業,以顛覆性創新完成對巨頭的革命;第二代回國創業,在地獄般的中國市場中,找到了最適合中國國情的芯片產業鏈上;第三代擅長併購,在一定程度上修補行業,並利用資本攀升晶片產業的初期整合。
如果再往前追溯,半導體產業的老領導也來自微電子學會。朱義偉,57級,曾任上世紀1970年代中國最大的半導體工廠-東莞光電廠副廠長,在北京積體電路產業改革中發揮了重要作用。退休後,他依然精力充沛,積極介紹在台企業家參與華京改革。
除了那些離開校園的創業家之外,事實上,微電子研究所的歷任所長在學術界和商界也都是楷模。例如,前所長魏少軍在本世紀初帶領團隊研發出SIM卡晶片,一舉打破了外國晶片公司在我國的壟斷地位。他本人也曾擔任大唐電信科技有限公司的總裁。
現任主任吳華強擁有材料科學與管理雙學位,曾任美國AMD及Spansion公司資深研究員。 2020年,吳華強在《自然》雜誌發表論文,實現了世界上首個基於憶阻器的多陣列儲存與運算整合系統。
過去40年來,微電子研究所培養了2,000多名大學部學生、1,500多位碩士生和300多位博士生。微電子研究所涉足學術、管理、商業等領域,秉持著「助人、傳承、引領」的傳統,不斷夯實中國晶片產業的基礎。
04
結束
交流結束後,我們特意參觀了教學大樓內的「微納加工平台」。這裡擁有一整套晶片生產製程設備,包括光刻機、離子注入機等,總價值近300億元。實驗室完全向本科生開放,他們可以在這裡進行研究和實踐操作,讓產業界走進校園,理論與實踐相結合。
這對中國半導體產業來說意義重大。談到中美半導體差距,我們總是會想到兩個面向:時間和人才。技術累積需要時間,培養人才也需要時間。正如俗語所說,十年養樹,百年教化。
這也是微電子學研究所每位教授都在思考的問題。微電子研究所過去四十年取得了長足的進步,但仍有許多工作要做。我相信,隨著一批又一批人才的成長和嚴謹學術精神的傳承,我國自主半導體產業的發展速度必將加快,瓶頸問題也將不再困擾我們。
我們不僅要感謝微電子研究院,也要感謝全國每一位默默為中國科技突破做出貢獻的學者、研究人員、工程師、企業家,甚至中小學生。我希望他們的努力能夠得到回報。因為我們的獨立之路依然漫長。
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