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与“中国芯”一同成长的“芯青年”

发稿时间:2022-08-03 09:21:00 编辑:李婧怡 来源: 光明网-《光明日报》

  【到新时代新天地中去·青年就业之“芯青年”】

  光明日报记者 李丹阳 光明日报见习记者 殷泽昊

  在指甲盖大小的微小之地,布局上亿根晶体管和数公里长的导线,其工艺难度相当于在一根头发丝直径万分之一大小的地基上,建起高楼大厦——如此集高精尖科技之大成的芯片(载有集成电路的半导体元件),是大多数现代电子产品和新兴技术的“心脏”,也是当前全球高科技领域较量的焦点。

  “发丝上建高楼”的高端芯片设计制造人才,是这场较量的关键。

  2014年以来,我国集成电路产业连续保持每年20%左右的复合增长率,形成了巨大人才缺口,再叠加全球产业界“缺芯”的影响,“国产芯片产业比以往任何时候都迫切需要大量的高端人才”。专家表示,从芯片设计、制造和封测,到与之配套的材料、装备和应用,都“急需科研业务强、有一线工作经验的高素质工程师,还需具有前瞻视野的产业科学家,以及了解芯片行业的投资人”。

  近年来,一批年轻人在对国产芯片“卡脖子”技术的攻坚中得到实在的历练,得以迅速成长。他们是与“中国芯”共同成长的新一代“芯青年”,他们准备好了——“站在前人的肩膀上,完成中国芯片从追随到超越的历史使命。”

  科技创“芯”路上,“头铁”有用

  要创新,有时不得不反复试错。但就芯片制造而言,试错成本十分高昂。

  从设计到量产,芯片要经历关键的“流片”,即按照设计图纸在晶圆上进行蚀刻,去检验每个工艺步骤是否可行、电路是否具备所需性能和功能。流片成功,就可以据此量产芯片,反之则需找出原因,再次优化设计。其间,通常要经历1000多道工艺,持续三个月之久,耗资巨大。

  身为芯片设计师,中国航天科工二院二十三所高级工程师、90后青年迦琛对流片的重要性体会得很深。“为了保住流片环节的成功率,我们唯有在设计层面追求极致,反复改版、反复测试,不漏过一处细节。”他说。

  一次,迦琛所在的团队设计了一款芯片,几次实测中均表现正常,却在低温条件下发生了故障。虽是偶发故障,但大家心中已“警铃大作”,迅速行动,逐个元件、逐条线路排查设计隐患。

  小小芯片,精密度如同微缩版的城市,无数纳米级的元件“屋舍林立”,电路线路“阡陌纵横”,在这里寻找故障的难度可想而知。但他们不回避困难,竭尽所长、积极排障,终于找到了隐患。不仅如此,被发现的易在低温条件下失灵的某个器件,成为促使团队实现工艺突破的关键。

  “要创新,就要看你的‘头铁不铁’。”总结经验时,迦琛多次使用了“主动”一词,因为“遇到困难,被动等待它消失是不可能的,不如‘头铁’一些,主动迎上去,或许能打通一条创新路”。

  主动出击,是迦琛的答案,也是中国芯片人的答案。如中国工程院院士倪光南所指出的那样:“曾经,我们希望能够用更省事的办法解决问题。实践证明,核心技术是买不来的。中国芯片技术和产业的短板最终还是需要中国人踏实创新来解决。”

  靠着不逃避、不放弃的“头铁”姿态,近年来,中国研究者奋力追赶,一批国产芯片开始崭露头角。“我们更欣慰地看到,自主创新的拼搏精神能在这一代青年人身上薪火相传。”中国航天科工二院雷达心研制团队有关负责人说,“‘中国芯’的发展,依靠的正是这些脚踏实地、仰望星空的‘芯青年’。”

  科技向善,是造一颗匠“芯”的意义

  2010年夏,北京一家医院,等待许久的吴迎心情忐忑,他马上就要拿到新生儿的耳聋相关基因检测结果。吴迎是听觉障碍者,对自己下一代最大的期望是拥有正常的听力,和其他孩子一样学习生活。

  “235杂合,听力学检测正常。”看到结果的吴迎喜极而泣!此时他最想感谢的人,就是80后科研工作者张冠斌,遗传性耳聋基因诊断芯片系统主要开发人员。

  对新生儿遗传性耳聋基因进行检测,曾经是一道难题。而张冠斌凭借一枚小小的生物芯片,让不可能成为可能。

  从清华大学机械工程及自动化专业毕业后,张冠斌加入生物芯片北京国家工程研究中心攻读博士学位,从事生物医药研究。那时,成人耳聋基因芯片诊断技术已经较为成熟。

  “谢谢你们的芯片技术帮我找到致聋原因,可是,我能生出健康的孩子吗?”张冠斌读博期间一次临床实验时,听到一位耳聋患者的哀叹。张冠斌内心久久不能平静:“芯片技术能检测成年人的耳聋基因,可新生儿检测领域却是一片空白,这可能让很多患有听觉障碍的孩子失去及早干预的机会!”

  从零开始,向那片空白地进发,研究新生儿遗传性耳聋基因诊断芯片系统!

  张冠斌和团队很快遇到了问题:如何把识别基因序列的磁珠通过探针连接到芯片上?磁珠量级以微米计,探针只有6.8纳米长,二者差距甚远。

  辗转反侧,夜不能寐。

  一天上班路上,他无意间观察到一只毛毛虫攀附在路边绿植的茎秆上,蠕动着向上爬行。灵感就在此时意外迸发:“毛毛虫的脚这么小,可它能将自己硕大的身躯紧紧附着在植物上。为什么?因为它的脚足够多。或许可以增加探针的密度,去实现连接!”

  几番尝试后,磁珠与芯片连接问题终于得到解决。2018年,遗传性耳聋诊断芯片系统获得国家技术发明二等奖。2021年11月,全国接受了遗传性耳聋基因筛查的新生儿突破500万人,直接避免了受检者及家庭成员13万多人因使用药物不当致聋。

  当前,我国生物芯片技术的应用已走进医疗领域,尤其是在遗传性耳聋筛查、检测和医疗干预等方面,领先世界许多国家及地区。浸透着“芯青年”汗水与匠心的芯片,承载着人们对美好生活的希望。

  “当患儿的父母紧握着我的手时,我感受到爱、希望和温暖,这不就是科学的意义所在吗?”张冠斌说。

  从追赶到开创,相信自己、相信“中国芯”

  “小伙子,外面什么天气啊?”中国科学院计算技术研究所的走廊里,站满了等候研究生面试的学生,一位中年人突然走来问了陈云霁这样一句话,把一心准备面试的他给“问蒙了”。回了回神,才回答“是晴天”。

  “下一位,陈云霁。”他推开考场的大门,却发现这位中年人坐在了面试官席上。原来,这就是国产芯片领域的专家胡伟武教授,陈云霁后来的导师。

  胡伟武教授询问面试者天气的原因,陈云霁是后来才知道的。胡伟武说:“那时候我整整一周都没出研究所了,才想问问外面的天气情况。”

  这意外的回答,深深感动了陈云霁。忘我精神,在师徒之间传承了下来。

  近十年间,陈云霁在导师的带领下一直在国产芯片领域深耕。2008年,25岁的陈云霁博士毕业后成为龙芯3号主要架构师之一。29岁,他成为中科院计算所的博士生导师。

  “要向无人区进发。”随着科研的深入,陈云霁脑海中的这个声音越来越响。此前的工作大多是“追赶”,虽然一些成绩填补了国内相关领域的空白,但终究是和国际上的芯片研究者在同一个赛道竞争。陈云霁想做的是“开创”,另辟一条新赛道,让中国成为领跑者。于是,他把研究领域转向人工智能与芯片设计的交叉研究。

  蹚一条新路绝非易事,何况那时人工智能领域的研究才刚起步,前景未知。陈云霁和学生做了大量调研,却鲜有收获,甚至最前沿的国际会议上都缺乏相关论文。

  渐渐地,有的学生想打退堂鼓,有的同行也认为找不到这样的路。

  陈云霁不信!那时对机器学习的计算、访存和通信的基本规律并不清楚,问题层出不穷,他仍鼓励大家:“凭龙芯项目时期打下的坚实基础,慢慢算,总能算出来。”

  像导师曾经做过的那样,陈云霁把床搬进了研究所,一心扑在研究上。经过几年努力,第一个深度学习处理器问世,这是国际首个深度学习处理器芯片。

  坚持,让陈云霁守得云开见月明。2021年,陈云霁的“深度学习处理器体系结构新范式”获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

  “从‘追赶’到‘开创’,不是须臾便能达成的,需要一代代有科学理想、坐得住冷板凳的人久久为功地做下去。”陈云霁说,更重要的是相信自己,相信能够在我们手中,创造属于自己的“中国芯”。

  (本期选题支持:詹媛)

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