與“中國芯”一同成長的“芯青年”
【到新時代新天地中去·青年就業(yè)之“芯青年”】
光明日報記者 李丹陽 光明日報見習(xí)記者 殷澤昊
在指甲蓋大小的微小之地,布局上億根晶體管和數(shù)公里長的導(dǎo)線,其工藝難度相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲直徑萬分之一大小的地基上,建起高樓大廈——如此集高精尖科技之大成的芯片(載有集成電路的半導(dǎo)體元件),是大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品和新興技術(shù)的“心臟”,也是當(dāng)前全球高科技領(lǐng)域較量的焦點(diǎn)。
“發(fā)絲上建高樓”的高端芯片設(shè)計制造人才,是這場較量的關(guān)鍵。
2014年以來,我國集成電路產(chǎn)業(yè)連續(xù)保持每年20%左右的復(fù)合增長率,形成了巨大人才缺口,再疊加全球產(chǎn)業(yè)界“缺芯”的影響,“國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)比以往任何時候都迫切需要大量的高端人才”。專家表示,從芯片設(shè)計、制造和封測,到與之配套的材料、裝備和應(yīng)用,都“急需科研業(yè)務(wù)強(qiáng)、有一線工作經(jīng)驗的高素質(zhì)工程師,還需具有前瞻視野的產(chǎn)業(yè)科學(xué)家,以及了解芯片行業(yè)的投資人”。
近年來,一批年輕人在對國產(chǎn)芯片“卡脖子”技術(shù)的攻堅中得到實在的歷練,得以迅速成長。他們是與“中國芯”共同成長的新一代“芯青年”,他們準(zhǔn)備好了——“站在前人的肩膀上,完成中國芯片從追隨到超越的歷史使命。”
科技創(chuàng)“芯”路上,“頭鐵”有用
要創(chuàng)新,有時不得不反復(fù)試錯。但就芯片制造而言,試錯成本十分高昂。
從設(shè)計到量產(chǎn),芯片要經(jīng)歷關(guān)鍵的“流片”,即按照設(shè)計圖紙在晶圓上進(jìn)行蝕刻,去檢驗每個工藝步驟是否可行、電路是否具備所需性能和功能。流片成功,就可以據(jù)此量產(chǎn)芯片,反之則需找出原因,再次優(yōu)化設(shè)計。其間,通常要經(jīng)歷1000多道工藝,持續(xù)三個月之久,耗資巨大。
身為芯片設(shè)計師,中國航天科工二院二十三所高級工程師、90后青年迦琛對流片的重要性體會得很深?!盀榱吮W×髌h(huán)節(jié)的成功率,我們唯有在設(shè)計層面追求極致,反復(fù)改版、反復(fù)測試,不漏過一處細(xì)節(jié)?!彼f。
一次,迦琛所在的團(tuán)隊設(shè)計了一款芯片,幾次實測中均表現(xiàn)正常,卻在低溫條件下發(fā)生了故障。雖是偶發(fā)故障,但大家心中已“警鈴大作”,迅速行動,逐個元件、逐條線路排查設(shè)計隱患。
小小芯片,精密度如同微縮版的城市,無數(shù)納米級的元件“屋舍林立”,電路線路“阡陌縱橫”,在這里尋找故障的難度可想而知。但他們不回避困難,竭盡所長、積極排障,終于找到了隱患。不僅如此,被發(fā)現(xiàn)的易在低溫條件下失靈的某個器件,成為促使團(tuán)隊實現(xiàn)工藝突破的關(guān)鍵。
“要創(chuàng)新,就要看你的‘頭鐵不鐵’?!笨偨Y(jié)經(jīng)驗時,迦琛多次使用了“主動”一詞,因為“遇到困難,被動等待它消失是不可能的,不如‘頭鐵’一些,主動迎上去,或許能打通一條創(chuàng)新路”。
主動出擊,是迦琛的答案,也是中國芯片人的答案。如中國工程院院士倪光南所指出的那樣:“曾經(jīng),我們希望能夠用更省事的辦法解決問題。實踐證明,核心技術(shù)是買不來的。中國芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的短板最終還是需要中國人踏實創(chuàng)新來解決?!?/p>
靠著不逃避、不放棄的“頭鐵”姿態(tài),近年來,中國研究者奮力追趕,一批國產(chǎn)芯片開始嶄露頭角?!拔覀兏牢康乜吹剑灾鲃?chuàng)新的拼搏精神能在這一代青年人身上薪火相傳?!敝袊教炜乒ざ豪走_(dá)心研制團(tuán)隊有關(guān)負(fù)責(zé)人說,“‘中國芯’的發(fā)展,依靠的正是這些腳踏實地、仰望星空的‘芯青年’。”
科技向善,是造一顆匠“芯”的意義
2010年夏,北京一家醫(yī)院,等待許久的吳迎心情忐忑,他馬上就要拿到新生兒的耳聾相關(guān)基因檢測結(jié)果。吳迎是聽覺障礙者,對自己下一代最大的期望是擁有正常的聽力,和其他孩子一樣學(xué)習(xí)生活。
“235雜合,聽力學(xué)檢測正常?!笨吹浇Y(jié)果的吳迎喜極而泣!此時他最想感謝的人,就是80后科研工作者張冠斌,遺傳性耳聾基因診斷芯片系統(tǒng)主要開發(fā)人員。
對新生兒遺傳性耳聾基因進(jìn)行檢測,曾經(jīng)是一道難題。而張冠斌憑借一枚小小的生物芯片,讓不可能成為可能。
從清華大學(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)畢業(yè)后,張冠斌加入生物芯片北京國家工程研究中心攻讀博士學(xué)位,從事生物醫(yī)藥研究。那時,成人耳聾基因芯片診斷技術(shù)已經(jīng)較為成熟。
“謝謝你們的芯片技術(shù)幫我找到致聾原因,可是,我能生出健康的孩子嗎?”張冠斌讀博期間一次臨床實驗時,聽到一位耳聾患者的哀嘆。張冠斌內(nèi)心久久不能平靜:“芯片技術(shù)能檢測成年人的耳聾基因,可新生兒檢測領(lǐng)域卻是一片空白,這可能讓很多患有聽覺障礙的孩子失去及早干預(yù)的機(jī)會!”
從零開始,向那片空白地進(jìn)發(fā),研究新生兒遺傳性耳聾基因診斷芯片系統(tǒng)!
張冠斌和團(tuán)隊很快遇到了問題:如何把識別基因序列的磁珠通過探針連接到芯片上?磁珠量級以微米計,探針只有6.8納米長,二者差距甚遠(yuǎn)。
輾轉(zhuǎn)反側(cè),夜不能寐。
一天上班路上,他無意間觀察到一只毛毛蟲攀附在路邊綠植的莖稈上,蠕動著向上爬行。靈感就在此時意外迸發(fā):“毛毛蟲的腳這么小,可它能將自己碩大的身軀緊緊附著在植物上。為什么?因為它的腳足夠多?;蛟S可以增加探針的密度,去實現(xiàn)連接!”
幾番嘗試后,磁珠與芯片連接問題終于得到解決。2018年,遺傳性耳聾診斷芯片系統(tǒng)獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。2021年11月,全國接受了遺傳性耳聾基因篩查的新生兒突破500萬人,直接避免了受檢者及家庭成員13萬多人因使用藥物不當(dāng)致聾。
當(dāng)前,我國生物芯片技術(shù)的應(yīng)用已走進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域,尤其是在遺傳性耳聾篩查、檢測和醫(yī)療干預(yù)等方面,領(lǐng)先世界許多國家及地區(qū)。浸透著“芯青年”汗水與匠心的芯片,承載著人們對美好生活的希望。
“當(dāng)患兒的父母緊握著我的手時,我感受到愛、希望和溫暖,這不就是科學(xué)的意義所在嗎?”張冠斌說。
從追趕到開創(chuàng),相信自己、相信“中國芯”
“小伙子,外面什么天氣啊?”中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的走廊里,站滿了等候研究生面試的學(xué)生,一位中年人突然走來問了陳云霽這樣一句話,把一心準(zhǔn)備面試的他給“問蒙了”?;亓嘶厣瘢呕卮稹笆乔缣臁?。
“下一位,陳云霽。”他推開考場的大門,卻發(fā)現(xiàn)這位中年人坐在了面試官席上。原來,這就是國產(chǎn)芯片領(lǐng)域的專家胡偉武教授,陳云霽后來的導(dǎo)師。
胡偉武教授詢問面試者天氣的原因,陳云霽是后來才知道的。胡偉武說:“那時候我整整一周都沒出研究所了,才想問問外面的天氣情況。”
這意外的回答,深深感動了陳云霽。忘我精神,在師徒之間傳承了下來。
近十年間,陳云霽在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下一直在國產(chǎn)芯片領(lǐng)域深耕。2008年,25歲的陳云霽博士畢業(yè)后成為龍芯3號主要架構(gòu)師之一。29歲,他成為中科院計算所的博士生導(dǎo)師。
“要向無人區(qū)進(jìn)發(fā)?!彪S著科研的深入,陳云霽腦海中的這個聲音越來越響。此前的工作大多是“追趕”,雖然一些成績填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白,但終究是和國際上的芯片研究者在同一個賽道競爭。陳云霽想做的是“開創(chuàng)”,另辟一條新賽道,讓中國成為領(lǐng)跑者。于是,他把研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向人工智能與芯片設(shè)計的交叉研究。
蹚一條新路絕非易事,何況那時人工智能領(lǐng)域的研究才剛起步,前景未知。陳云霽和學(xué)生做了大量調(diào)研,卻鮮有收獲,甚至最前沿的國際會議上都缺乏相關(guān)論文。
漸漸地,有的學(xué)生想打退堂鼓,有的同行也認(rèn)為找不到這樣的路。
陳云霽不信!那時對機(jī)器學(xué)習(xí)的計算、訪存和通信的基本規(guī)律并不清楚,問題層出不窮,他仍鼓勵大家:“憑龍芯項目時期打下的堅實基礎(chǔ),慢慢算,總能算出來?!?/p>
像導(dǎo)師曾經(jīng)做過的那樣,陳云霽把床搬進(jìn)了研究所,一心撲在研究上。經(jīng)過幾年努力,第一個深度學(xué)習(xí)處理器問世,這是國際首個深度學(xué)習(xí)處理器芯片。
堅持,讓陳云霽守得云開見月明。2021年,陳云霽的“深度學(xué)習(xí)處理器體系結(jié)構(gòu)新范式”獲得2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。
“從‘追趕’到‘開創(chuàng)’,不是須臾便能達(dá)成的,需要一代代有科學(xué)理想、坐得住冷板凳的人久久為功地做下去?!标愒旗V說,更重要的是相信自己,相信能夠在我們手中,創(chuàng)造屬于自己的“中國芯”。
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