芯片人才短缺席卷全球，美国的应对之策

在启动美国芯片制造的 CHIPS 和科学法案在 3 月份才开始接受其500 亿美元的部分请求，但芯片制造商已经提前做好准备。内存和存储芯片制造商美光宣布斥资1000 亿美元在纽约州北部新建工厂。台积电 (TSMC) 已经在亚利桑那州建造了一座价值 120 亿美元的晶圆厂，通过第二家工厂将投资增加到 400 亿美元。三星正计划在得克萨斯州奥斯汀附近投资 170 亿美元建造一座工厂，英特尔也在 9 月破土动工在俄亥俄州中部价值 200 亿美元的两个大型新设施中的第一个。

尽管这对美国经济来说令人兴奋，但存在一个潜在的问题：该行业将在哪里找到运营这些工厂和设计他们将生产的芯片所需的合格劳动力？根据半导体行业协会2020 年 9 月的一份报告，如今美国制造的芯片仅占世界芯片的 12%，低于 1990 年的 37% 。专家说，在过去的几十年里，半导体和硬件教育停滞不前。但要使 CHIPS 法案取得成功，每个晶圆厂都需要数百名各行各业的熟练工程师和技术人员，接受从两年制副学士学位到博士学位的培训.

美国的工程学校现在正在竞相培养这种人才。大学和社区学院正在改进与半导体相关的课程，并与彼此和行业建立战略合作伙伴关系，以培训运营美国代工厂所需的员工。普渡大学电气与计算机工程教授彼得·伯梅尔 (Peter Bermel)表示，到 2022 年底，半导体行业大约有 20,000 个职位空缺。“即使这个领域的增长有限，你也需要在未来五年内至少增加 50,000 名员工。我们需要非常迅速地加大努力。”

美国中西部可能以农业和重工业而不是半导体而闻名，但芯片制造商押注这里是他们行业的沃土，这要归功于大量的研究型大学和技术学院。

以英特尔为例，它希望在俄亥俄州打造一个“硅中心地带”。除了在一个 4 平方公里的巨型场地上建造两个尖端芯片工厂（可容纳另外 6 个晶圆厂）外，该公司还承诺向该州的 80 所高等教育机构提供 5000 万美元的资金。这些资金将帮助大学和社区学院升级课程、培训和聘用教职员工并提供设备，英特尔还计划提供实习、指导和研究机会。

这些资金的一部分已拨给俄亥俄州立大学，该大学将领导一个新的先进半导体制造研究和教育跨学科中心。这将跨越 10 所州内学院和大学。虽然大多数与半导体相关的课程都是为电气和计算机工程专业的学生设计的，但俄勒冈州立大学现在希望招收其他学科的学生。该大学正在为他们创建掌握半导体相关技能的途径，并且正在修改这些学科的课程以反映最新的行业技术。Ayanna Howard说，材料工程师将开设有关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，机械工程师将了解设备制造工具，俄勒冈州立大学工程学院院长。“现在我们将制造业带回 [美国] 海岸，我们的课程现在正在引入所有这些组件，这些组件一直是需要的，但还没有成为培训所有这些工程师所需规模的计划的一部分。”

霍华德补充说，该地区并不缺乏人才，因为制造业已经成为俄亥俄州和中西部其他地区的主要活动。2011 年，俄亥俄州启动了一项名为 Jobs Ohio 的计划，旨在培养更多计算机科学、生物技术和医疗保健制造领域的科学、技术、工程和医学 (STEM) 毕业生。她说，现在的问题是全面改革课程以迎合半导体制造的需要。“当英特尔来到该地区时，它确实强化了我们一直在思考的所有事情。”

除了与州立大学一起领导两个项目外，俄勒冈州立大学还与其他 10 所中西部机构合作，包括普渡大学和密歇根大学，以“更全面地考虑工程教育，”霍华德说。“我们如何创建一个课程，让可能没有基础设施（比如实验室空间或训练有素的教职员工）的大学为学生提供半导体体验？”

例如，在 2021年秋季，俄勒冈州立大学试行了一门课程，使用台式实验室设备向学生传授芯片制造过程，让他们无需昂贵的洁净室即可学习。工程学院还与创意艺术系合作创建增强现实和虚拟现实工具，让学生体验模拟工厂。

在英特尔开发区以西约 400 公里（250 英里）处，计划建造另一座晶圆厂。2022 年 7 月， 使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区投资18 亿美元建造芯片厂。隔壁的普渡大学启动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一系列选择，以获得半导体行业所需的核心技能。虽然 EE 课程传统上涵盖集成电路和芯片设计，但新课程教授其他关键的芯片制造步骤，包括化学品、材料、工具、制造、封装，甚至供应链管理。学生可以选择辅修该课程、获得硕士学位或获得证书。

SkyWater 代表将在该计划的介绍性研讨会课程中向学生介绍各种职业选择。保证学生在普渡的纳米技术中心和半导体公司有经验。高级课程涵盖半导体材料和器件，以及工业相关的片上系统设计。该计划以普渡大学的 SCALE 计划为基础 ，该计划由美国国防部资助并于 2020 年启动，旨在培训本科生设计和制造太空半导体。“SCALE 专门针对国防微电子学，但 SCALE 和半导体学位课程是协同的，”普渡大学的 Bermel 说。“芯片在很多方面都与确切的应用空间无关。”

今年，普渡大学将启动一项旨在为 SkyWater 培训员工的新计划。在州和地区经济发展组织的支持下，该计划将包括通过合作伙伴 Ivy Tech Community College的副学士学位课程对操作员和技术人员进行培训。除了与公司一起开发有针对性的课程和实习外，Purdue 团队还计划在当地高中开展外展活动，了解附近晶圆厂的工作机会，以期吸引更多学生学习工程学。

在 SkyWater 佛罗里达晶圆厂的暑期实习巩固了普渡大学本科生 Anika Bhoopalam 对半导体行业的兴趣。Bhoopalam 主修化学工程，辅修电气和计算机工程，她认为自己修读的物理、材料科学和工程课程，再加上制造薄膜和太阳能电池的研究实验室经验，让她做好了充分的准备。她计划攻读博士学位。专注于材料科学和固态物理学，因此她可以继续从事芯片制造工作。“我发现半导体行业是一个快节奏、令人兴奋且有趣的领域，你每天都要处理不同的任务。”

传统上，学生在研究生院开发、构建和测试集成电路。但是大学正试图更早地提供第一次实践经验。2021 年秋季， 伊利诺伊大学香槟分校的电气和计算机工程教授Pavan Hanumolu和Rakesh Kumar创建了一个名为“高级系统设计”的课程，该课程带领高年级本科生完成集成电路制作的每一步。

“这是一项实事求是的工作，”Hanumolu 说。“公司不希望学生在工作中学习这些。如果我们能够提供这些技能，那可能会缩短增加行业人才库的途径。”

学生团队合作，定义问题并设计功能性 CMOS 集成电路来解决该问题。设计被发送到 TSMC 工厂进行制造，之后学生测试芯片，根据需要重新设计电路，并为芯片制作印刷电路板。Kumar 说，到目前为止，已有 30 名学生参加了这门课程，其中一些人已经在 Apple、Intel 和Siemens 等公司实习和工作。“雇主很欣赏我们学生所经历的严谨，” Hanumolu说。“他们知道这些学生毕业时会 具备什么样的独特技能。”

虽然尖端芯片厂在中西部可能是新事物，但在西南部， 亚利桑那州立大学在为不断扩大的陆上芯片产业做准备方面已经处于领先地位。早在 1960 年代，摩托罗拉就选择了凤凰城附近的沙漠作为其工厂。航空航天和国防公司紧随其后，然后英特尔在 1980 年代到来，目前正在扩张。最近，台积电于 2021 年在凤凰城的美国大型晶圆厂破土动工。工程学院院长 Kyle Squires表示，与这些公司的联系为亚利桑那州立大学的半导体教育和研究奠定了坚实的基础。

“你可以在我们的 DNA 中看到这种半导体存在的起源可以追溯到 60 年代，”他说。很大一部分 EE 教师具有行业经验，并与行业有着密切的联系。Squires 说，他们将自己的专业知识带入他们设计的硬件工程课程和实验室，同时让学生获得奖学金、研究机会、实习机会，并最终获得工作。“这是我们与这些公司保持联系的一种方式，他们在做什么，他们要去哪里。随着技术需要不断发展，课程也需要不断发展。它是为教学提供信息的研究，反之亦然。这是一个反馈循环。”

ASU 拥有大型微电子设施（最初是摩托罗拉半导体工厂），大三和大四的 EE 学生可以选择选修课，让他们在设施的洁净室中获得直接的半导体加工经验。与此同时，研究生可以获得 15 个学分的 半导体加工证书，在芯片生产的各个方面对他们进行培训。Squires 承认，将数百万美元的工具放入本科生实验室对大多数大学来说是不现实的，因此与行业合作伙伴建立关系可以帮助弥补差异。

英特尔大学研究合作主管Gabriela Cruz Thompson 表示，英特尔不仅是合作伙伴，还将自己视为升级高等教育系统以培养所需劳动力的催化剂 。英特尔是为数不多的仍在美国生产大部分晶圆的半导体公司之一，它正在扩大其在亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州的工厂。在由此创造的 7,000 个工作岗位中，大约 40% 将提供给拥有两年制学位的人，拥有学士、硕士学位和博士学位的人各占 20%。

然而，自 COVID 以来，英特尔一直在努力寻找足够的拥有两年制学位的操作员和技术人员来维持代工厂的运转。汤普森说，这使得社区学院成为微电子劳动力难题的重要组成部分。在俄亥俄州，该公司将大部分教育资金提供给技术学院和社区学院，以便他们可以在现有的先进制造计划中增加针对半导体的培训。英特尔还要求大学为社区大学生提供洁净室实践经验。

三星和奥斯汀的Silicon Labs也通过奖学金、暑期实习和导师计划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计划，该计划为高中生提供技术培训。与此同时，该公司的Fab Apprentice Program允许学生在每周两天在三星工作的同时完成副学士学位。“只要学生的 GPA 保持在 3.0 或更高，我们就会支付 100% 的学费和书本费，”三星奥斯汀半导体公司传播和社区事务主管 Michele Glaze说。

半导体人才短缺并非美国独有。据报道，台湾生产了全球约 65% 的芯片，但寻找年轻的半导体工程师越来越难 。世界各地的半导体公司都在争夺人才：他们提高工资，并向本科生甚至职业高中生提供奖学金、实习和指导，希望尽早吸引他们。“随着对先进半导体的需求不断增加，芯片制造商争夺人才，我们看到劳动力供应落后于高需求，”三星的 Glaze 说。

三星与韩国四所主要大学合作，提供量身定制的课程来培训半导体研发和制造方面的学生。与此同时，台湾政府正与芯片公司合作，投资 3 亿美元在顶尖大学内以芯片为重点的专业研究生院，以培训下一代半导体工程师。

英特尔的 Thompson 说，吸引更多的学生学习工程学是一个大问题。软件行业中有吸引力的工作导致电气工程和计算机科学之间的平衡发生了转变。“我们从学者那里听说，我们正因为软件而失去 EE 学生，”她说。“但我们也需要软件。我认为这是‘我们需要更多学生从事 STEM 职业’的总和。”

CHIPS 法案可能正是将半导体置于聚光灯下并吸引学生攻读硬件相关学位所需要的。在 Purdue，Bermel 说他在一年一度的 9 月招聘会上看到人们对半导体信息会议的兴趣有所上升。从历史上看，该展会只有少数半导体雇主，但今年有 28 家，吸引了 600 多名学生。他说，为了让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。这包括“为学生提供更好的机会，即使可能的话，即使只在本科一年级之后，给他们高薪，同时也让公众更加清楚为什么半导体公司很重要。”