美国《芯片和科学法案》资助的新兴晶圆厂正在培育和发展大学项目

美国《芯片和科学法案》资助的新兴晶圆厂正在培育和发展大学项目。

旨在重振美国芯片制造业的《芯片和科学法案》在2023年3月份开始接受对其500亿美元资金的部分申请，而芯片制造商早已提前作好准备。内存和存储芯片制造商美光宣布，将斥资1000亿美元在纽约州北部建立一家新工厂。台湾半导体制造公司（以下简称台积电）已在美国亚利桑那州建造了一座价值120亿美元的晶圆厂，还将投资增加到400亿美元，建造第二座工厂。三星计划在得克萨斯州奥斯汀附近投资170亿美元建造晶圆厂。英特尔将建造两座价值200亿美元的大型新工厂，其中的第一座于2022年9月在俄亥俄州中部破土动工。

虽然这对美国经济来说令人兴奋，但也存在一个潜在问题：要去哪里寻找运营这些工厂和设计生产芯片所需要的合格从业人员呢？根据美国半导体行业协会2020年9月的一份报告，美国目前只生产了全球12%的芯片，低于1990年的37%。专家表示，在过去的几十年里，半导体和硬件教育停滞不前。但《芯片和科学法案》要取得成功，每家晶圆厂都需要成百上千名技能娴熟的工程师和技术人员，他们接受的教育培训范围从两年制副学士学位到博士学位不一而足。

美国的工程学校正在加快培养这类人才。大学和社区学院在改写其半导体相关课程，彼此与产业建立战略伙伴关系，培训运营美国工厂所需要的员工。普渡大学电气和计算机工程专业的教授彼得•伯梅尔（Peter Bermel）表示，截至2022年底，半导体行业约有2万个职位空缺。“即使这一领域的增长有限，未来5年也至少需要再雇用5万名员工。我们真的需要加快努力。”

俄亥俄州立大学正在利用其芯片制造设施来培训未来的工程师和技术人员。图中从左至右分别是俄亥俄州立大学的学生迦勒·马洛里和杰恩·格里菲斯，纳米制造经理艾米·普赖斯以及哥伦布州立社区学院的学生克里斯·施陶特，他也是俄亥俄州立大学纳米技术西部实验室的工作人员。

英特尔落户俄亥俄州

相较于半导体，美国中西部地区可能更以农业和重工业闻名，但芯片制造商却断言这里是他们产业的沃土，因为有大量的研究型大学和技术型学院。

以英特尔为例，它想在俄亥俄州建立一个“硅的心脏地带”。除在一片可容纳6个晶圆厂、面积4平方公里的巨大场地上建造两座尖端芯片工厂外，该公司还承诺向该州的80所高等教育机构提供5000万美元。这笔资金应该能够帮助大学和社区学院升级课程、培训和聘用教职人员，以及提供设备；英特尔还计划提供实习、指导和研究机会。

其中部分资金流向俄亥俄州立大学，该大学将牵头建设一个先进的跨学科半导体制造研究与教育中心，覆盖本州10所学院和大学。尽管大多数半导体相关课程都是为电气和计算机工程专业的学生设计的，但俄亥俄州立大学想要招收其他学科的学生来学习，为他们创造掌握半导体相关技能的途径，大学将修改这些学科的课程，反映最新的行业技术。俄亥俄州立大学工程学院院长艾安娜•霍华德（Ayanna Howard）表示，将为材料工程师开设芯片封装材料的新课程，工业系统工程师将学习半导体制造工艺，机械工程师将了解器件制造工具。“现在我们要将制造业带回（美国）海岸，我们的课程正在引入的内容是一直需要的，但尚未按照培训这些工程师的规模纳入计划。”

实验室经验是培养新工程师的关键。在俄亥俄州立大学的纳米技术西部实验室，学生们获得了半导体关键工艺技术的动手体验

霍华德补充道，这个地区并不缺乏人才，因为制造业已经是俄亥俄州和中西部其他地区的主业。2011年，俄亥俄州启动了一项名为“俄亥俄州就业”（Jobs Ohio）的倡议，旨在在计算机科学、生物技术和医疗保健制造领域培养更多的科学、技术、工程和数学（STEM）毕业生。她说，现在的问题是如何对课程进行全面改革，满足半导体制造业的需求。“英特尔来到这个地区后，确实强化了所有我们一直在考虑的事情。”

霍华德说，除了与州立学院牵头两个项目外，俄亥俄州立大学还与包括普渡大学和密歇根大学在内的其他10所中西部院校合作，“更全面地考虑工程教育”。“我们该如何打造一门课程，让那些可能没有基础设施——比如实验室空间或训练有素的教师——的大学为学生提供半导体经验呢？”

例如，2021年秋天，俄亥俄州立大学试行了一门课程，使用台式实验室设备，在没有昂贵洁净室的条件下，向学生教授芯片制造工艺。工程学院还与创意艺术系合作，开发增强现实和虚拟现实工具，让学生体验模拟晶圆厂。》

SkyWater搬到普渡大学隔壁

在英特尔俄亥俄新工厂以西约400公里处，另一家晶圆厂正在规划中。2022年7月，利用专业和成熟制造工艺制造芯片的代工厂SkyWater Technology宣布在印第安纳州西拉斐特的一个工业园建立一座价值18亿美元的芯片晶圆厂。隔壁的普渡大学推出了一个新的跨学科半导体学位项目，为本科生和研究生提供选择一系列半导体行业所需的核心技能。电气工程课程传统上包括集成电路和芯片设计，而新课程则教授芯片制造的其他关键技术，包括化工产品、材料、工具、制造、封装，乃至供应链管理。学生可以选择辅修该项目，获得硕士学位或课程结业证明。

SkyWater的代表将在该项目的讲座中向学生介绍各种职业选择。保证学生能够在普渡大学的纳米技术中心和半导体公司获得经验。高级课程涵盖半导体材料和器件，以及与行业相关的芯片上系统设计。该项目以普渡大学的可扩展非对称生命周期参与微电子劳动力发展计划（SCALE）项目为基础而设立。SCALE项目由美国国防部资助，于2020年启动，旨在培训本科生设计和制造太空半导体。“SCALE项目专门针对国防微电子，但SCALE和半导体学位项目相互协同。”普渡大学的伯梅尔说，“ 在许多方面，芯片的确切应用空间是不可知的。”

2023年，普渡大学将启动一项针对SkyWater员工的新培训项目。在州和地区经济发展组织的支持下，该项目将通过合作伙伴常春藤技术社区学院的副学士课程向操作员和技术人员提供培训。除了与该公司一起开发有针对性的课程和实习机会外，普渡大学团队还计划帮助当地高等中学介绍邻近晶圆厂的工作机会，希望吸引更多的学生学习工程专业。

在SkyWater佛罗里达代工厂的暑期实习经历提高了普渡大学本科生阿尼卡•布帕拉姆（Anika Bhoopalam）对半导体行业的兴趣。布帕拉姆是一名主修化学工程、辅修电气和计算机工程的高年级学生，她觉得自己所修的物理、材料科学和工程课程，加上制造薄膜和太阳能电池的研究实验室经历，帮自己作好了准备。她计划攻读材料科学和固态物理学方向的博士学位，以便继续从事芯片制造工作。“我发现半导体行业是一个发展很快、令人兴奋且有趣的领域，每天都可以从事不同的工作任务。”》

研究生劳拉·查韦斯，(上图)和马文·张(下图)利用普渡大学Brick纳米技术中心提供的设施来表征半导体和集成电路。总部位于明尼苏达州的代工厂SkyWater正在该大学附近建造一座晶圆厂

伊利诺伊州提升芯片制造技能教育

传统上，学生在研究生院开发、制造和测试集成电路。但大学在尝试更早地提供第一次实践经验。2021年秋天，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气和计算机工程教授帕万•哈努莫鲁（Pavan Hanumolu）和拉克什•库马尔（Rakesh Kumar）开设了一门“高级系统设计”的课程，带领高年级本科生经历集成电路制造的每一步。

“这是一项具有实质性意义的工作。”哈努莫鲁说，“企业不希望学生在工作中学习这些技能。如果我们能提供这些技能，就能缩短和增加行业人才库的途径。”

学生们分组工作，定义一个问题，并设计一个功能性互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路来解决这个问题。这些设计被送往台积电晶圆厂进行制造，之后学生们可以测试芯片，根据需要重新设计电路，并为芯片制作印刷电路板。库马尔说，到目前为止，已经有30名学生上了这门课，其中多名学生在苹果、英特尔和西门子等公司实习和工作。“雇主很欣赏我们学生所经过的严格训练。”哈努莫鲁说，“他们知道这些学生毕业时可掌握什么样的独特技能。”》

亚利桑那州新增台积电工厂

美国中西部和西南部的尖端芯片晶圆厂较少，但亚利桑那州立大学正在领衔为美国芯片产业的扩张作准备。早在20世纪60年代，摩托罗拉就选择了凤凰城附近的沙漠作为其工厂所在地。航空航天和国防企业紧随其后，然后在20世纪80年代，英特尔来到这里落户并且目前还在扩张。最近，也就是2021年，台积电在美国凤凰城的大型晶圆厂破土动工。亚利桑那州立大学工程学院院长凯尔•斯奎尔斯（Kyle Squires）表示，亚利桑那州立大学与这些公司的联系，为半导体教育和研究奠定了坚实的基础。

“从我们的DNA里你可以看到，这种半导体起源可以追溯到20世纪60年代。”他说。电气工程教师中有相当一部分人具有行业经验，并与行业有着密切的联系。斯奎尔斯说，他们将自己的专业知识带到了他们设计的硬件工程课程和实验室里，同时为学生提供获得奖学金、研究、实习的机会，甚至是最终的工作机会。“这是我们与这些企业保持联系的一种方式，包括他们在做什么、要朝哪个方向发展。随着技术的不断发展，课程也在不断发展。研究在促进教学，反之亦然。这是一个反馈循环。”

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程专业本科生参加了一门关于设计和建造集成电路的课程，这门课程曾被视为研究生级别的内容。珍娜·卡里奥(身着灰色T恤 )、安迪·恩(身着格子衬衫)、士丹利·吴(身着浅蓝色衬衫)和柯蒂斯·余(身着黑色衣服)在这里合作了各种项目。

亚利桑那州立大学拥有一座大型微电子设施，这最初是摩托罗拉的一座半导体制造厂，电气工程专业的低年级和高年级学生可以选修课程，在这座设施的洁净室中获得直接的半导体工艺经验。同时，研究生可以获得15学分的半导体工艺课程，培训涉及芯片生产的各个方面。斯奎尔斯承认，对大多数院校来说，将价值数百万美元的工具投入本科生实验室是不现实的，与行业合作伙伴建立关系可以帮助弥补这一差距。》

工作人员亚历克斯·卡布雷拉(左)和学生莫妮卡·盖坦在穿过MacroTechnology Works研究设施的一个实验室，亚利桑那州立大学的学生可以在这里使用晶圆厂设备。

社区学院可能是关键

英特尔的大学研究合作主管加布里埃拉•克鲁兹•汤普森（Gabriela Cruz Thompson）表示，除了作为合作伙伴，英特尔还将自己视为提升高等教育系统、培养所需从业人员的催化剂。作为少数仍在美国生产大部分晶圆的半导体公司之一，英特尔正在亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州扩建晶圆厂。在由此创造的7000个工作岗位中，约70%提供给拥有两年学位的人，25%提供给拥有学士学位、硕士学位和博士学位的人。

然而，自新冠疫情以来，英特尔一直在努力寻找足够的拥有两年学位的操作员和技术人员来维持代工厂的运转。汤普森表示，这使得社区学院成为解决微电子从业人员难题的关键。在俄亥俄州，该公司将大部分教育资金用于技术学校和社区学院，以便他们能够在现有的先进制造项目中增加半导体专业培训。英特尔还要求大学向社区学院学生提供洁净室实践体验。

三星和奥斯汀的芯科科技也通过奖学金、暑期实习和提供辅导导师等方式对邻近的社区学院和技术学校进行类似的投资。三星支持奥斯汀社区学院的一项倡议，为高中生提供技术培训。与此同时，该公司的晶圆厂学徒项目允许学生在完成副学士学位学习的同时，在三星每周工作两天。三星奥斯汀半导体公司通信和社区事务主管米歇尔•格雷兹（Michele Glaze）表示：“只要学生的平均成绩达到3.0及以上，我们就支付100%的学费和书本费。”》

社区学院将是满足新晶圆厂劳动力需求的关键。图中，马利柯帕社区学院的学生在亚利桑那州坦佩市英特尔赞助的实验室工作。

各地从业人员短缺

半导体人才短缺并非美国独有。据报道，中国台湾地区制造了全球约65%的芯片，但寻找年轻的半导体工程师变得越来越困难。世界各地的半导体公司都在抢夺人才：提高工资，向本科生甚至职业高中生提供奖学金、实习机会和辅导教师，希望尽早吸引他们。三星的格雷兹表示：“随着先进半导体需求的持续增加、芯片制造商对人才争夺的不断升级，我们可以看到，劳动力的供应落后于高需求。”

三星与韩国4所主要大学合作，为学生提供专门的半导体研发和制造课程。与此同时，中国台湾地区与芯片企业合作，向顶尖大学内专门研究芯片的研究生院投资3亿美元，用于培养下一代半导体工程师。

英特尔的汤普森表示，吸引更多的学生学习工程专业是一个大问题。软件行业有吸引力的工作打破了电气工程和计算机科学之间的平衡。“从学者那里听说，电气工程的学生正在流失到软件专业。”她说，“但我们也需要软件。我认为这是一个整体，‘我们需要更多的学生从事STEM职业’。”

芯片企业也在韩国努力寻找劳动力。图中，三星员工通过工作相关培训计划开展项目研究

如今，《芯片与科学法案》可能正是推动半导体行业受到关注所需要的，能够吸引学生获取硬件相关学位。伯梅尔表示，他在普渡大学看到，在9月的年度招聘会上，大家对半导体信息专场的兴趣有所上升。在过去，招聘会仅有少数半导体雇主参加，但今年有28家，吸引了600多名学生。他说，为了促进半导体行业在未来取得更大的成功，软件行业的做法可能值得效仿。其中就包括：“尽可能为学生提供更好的机会，甚至从本科一年级之后就开始，向他们提供丰厚的报酬，还要让公众更清楚地看到半导体公司的重要性。”

作者：Prachi Patel