與“中國(guó)芯”一同成長(zhǎng)的“芯青年”
作者：本報(bào)記者 李丹陽(yáng) 本報(bào)見習(xí)記者 殷澤昊《光明日?qǐng)?bào)》( 2022年08月02日 12版)
【到新時(shí)代新天地中去·青年就業(yè)之“芯青年”】
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(zhǎng)的導(dǎo)線，其工藝難度相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲直徑萬(wàn)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(jì)制造人才，是這場(chǎng)較量的關(guān)鍵。
2014年以來，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)連續(xù)保持每年20%左右的復(fù)合增長(zhǎng)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(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)比以往任何時(shí)候都迫切需要大量的高端人才”。專家表示，從芯片設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)，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(yàn)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(duì)國(guó)產(chǎn)芯片“卡脖子”技術(shù)的攻堅(jiān)中得到實(shí)在的歷練，得以迅速成長(zhǎng)。他們是與“中國(guó)芯”共同成長(zhǎng)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(guó)芯片從追隨到超越的歷史使命?！?/p>
科技創(chuàng)“芯”路上，“頭鐵”有用
要?jiǎng)?chuàng)新，有時(shí)不得不反復(fù)試錯(cuò)。但就芯片制造而言，試錯(cuò)成本十分高昂。
從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)，芯片要經(jīng)歷關(guān)鍵的“流片”，即按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诰A上進(jìn)行蝕刻，去檢驗(yàn)每個(gè)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(jì)。其間，通常要經(jīng)歷1000多道工藝，持續(xù)三個(gè)月之久，耗資巨大。
身為芯片設(shè)計(jì)師，中國(guó)航天科工二院二十三所高級(jí)工程師、90后青年迦琛對(duì)流片的重要性體會(huì)得很深?！盀榱吮Ｗ×髌h(huán)節(jié)的成功率，我們唯有在設(shè)計(jì)層面追求極致，反復(fù)改版、反復(fù)測(cè)試，不漏過一處細(xì)節(jié)。”他說。
一次，迦琛所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款芯片，幾次實(shí)測(cè)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(dòng)，逐個(gè)元件、逐條線路排查設(shè)計(jì)隱患。
小小芯片，精密度如同微縮版的城市，無(wú)數(shù)納米級(jí)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(zhǎng)、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(gè)器件，成為促使團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)工藝突破的關(guān)鍵。
“要?jiǎng)?chuàng)新，就要看你的‘頭鐵不鐵’。”總結(jié)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，迦琛多次使用了“主動(dòng)”一詞，因?yàn)椤坝龅嚼щy，被動(dòng)等待它消失是不可能的，不如‘頭鐵’一些，主動(dòng)迎上去，或許能打通一條創(chuàng)新路”。
主動(dòng)出擊，是迦琛的答案，也是中國(guó)芯片人的答案。如中國(guó)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(shí)踐證明，核心技術(shù)是買不來的。中國(guó)芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的短板最終還是需要中國(guó)人踏實(shí)創(chuàng)新來解決。”
靠著不逃避、不放棄的“頭鐵”姿態(tài)，近年來，中國(guó)研究者奮力追趕，一批國(guó)產(chǎn)芯片開始嶄露頭角。“我們更欣慰地看到，自主創(chuàng)新的拼搏精神能在這一代青年人身上薪火相傳?！敝袊?guó)航天科工二院雷達(dá)心研制團(tuán)隊(duì)有關(guān)負(fù)責(zé)人說，“‘中國(guó)芯’的發(fā)展，依靠的正是這些腳踏實(shí)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(cè)結(jié)果。吳迎是聽覺障礙者，對(duì)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(cè)正常?！笨吹浇Y(jié)果的吳迎喜極而泣！此時(shí)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(duì)新生兒遺傳性耳聾基因進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)化專業(yè)畢業(yè)后，張冠斌加入生物芯片北京國(guó)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(shí)，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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)成年人的耳聾基因，可新生兒檢測(cè)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(huì)！”
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(duì)很快遇到了問題：如何把識(shí)別基因序列的磁珠通過探針連接到芯片上？磁珠量級(jí)以微米計(jì)，探針只有6.8納米長(zhǎng)，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(wú)意間觀察到一只毛毛蟲攀附在路邊綠植的莖稈上，蠕動(dòng)著向上爬行。靈感就在此時(shí)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?yàn)樗哪_足夠多?；蛟S可以增加探針的密度，去實(shí)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(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。2021年11月，全國(guó)接受了遺傳性耳聾基因篩查的新生兒突破500萬(wàn)人，直接避免了受檢者及家庭成員13萬(wàn)多人因使用藥物不當(dāng)致聾。
當(dāng)前，我國(guó)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(cè)和醫(yī)療干預(yù)等方面，領(lǐng)先世界許多國(guó)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(duì)美好生活的希望。
“當(dāng)患兒的父母緊握著我的手時(shí)，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(guó)芯”
“小伙子，外面什么天氣??？”中國(guó)科學(xué)院計(jì)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”。回了回神，才回答“是晴天”。
“下一位，陳云霽。”他推開考場(chǎng)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(guó)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(shí)候我整整一周都沒出研究所了，才想問問外面的天氣情況?！?/p>
這意外的回答，深深感動(dòng)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(guó)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(hào)主要架構(gòu)師之一。29歲，他成為中科院計(jì)算所的博士生導(dǎo)師。
“要向無(wú)人區(qū)進(jìn)發(fā)?！彪S著科研的深入，陳云霽腦海中的這個(gè)聲音越來越響。此前的工作大多是“追趕”，雖然一些成績(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白，但終究是和國(guó)際上的芯片研究者在同一個(gè)賽道競(jìng)爭(zhēng)。陳云霽想做的是“開創(chuàng)”，另辟一條新賽道，讓中國(guó)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(jì)的交叉研究。
蹚一條新路絕非易事，何況那時(shí)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(guó)際會(huì)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(shí)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)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(lì)大家：“憑龍芯項(xiàng)目時(shí)期打下的堅(jiān)實(shí)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(gè)深度學(xué)習(xí)處理器問世，這是國(guó)際首個(gè)深度學(xué)習(xí)處理器芯片。
堅(jiān)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(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
“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(guó)芯”。
(本報(bào)記者 李丹陽(yáng) 本報(bào)見習(xí)記者 殷澤昊)
(本期選題支持：詹媛)