芯片工程师短缺，怎么破

世界各地的大学正在与半导体公司和政府建立合作伙伴关系，以帮助填补空缺和未来的职位，保持课程的最新性和相关性，并更新和扩展在职工程师的技能。

人才短缺多次被认为是芯片行业面临的第一大挑战。这些担忧的背后是几个关键驱动因素，以及更多特定领域的要求。

他们之中：

更多的电子产品无处不在，这些电子产品更加智能，需要新的芯片架构、更多的软硬件协同设计，以及对传统上孤立的学科中的工程师进行更多的交叉培训；

地缘政治竞争和与大流行相关的供应链故障正促使各国政府投入大量资源进行培训和教育，以努力将关键零部件和材料以及设计、验证、制造和封装先进芯片的专业知识转移到岸上和重新回到岸上。

安全和关键任务应用中的网络安全威胁，包括汽车和医疗等市场芯片的更长使用寿命，需要更深入地了解如何构建安全设备以及如何保持设备更新和弹性。由于连接设备数量不断增加，攻击面显着扩大，情况更加复杂。

所需的技能库越来越多地包括多物理场设计和验证；3D集成；IC 制造工艺开发、测试和检验，以及了解芯片和小芯片如何在先进封装中运行。此外，还有更多合作伙伴专注于开发与人工智能/机器学习、5G、量子计算和可持续发展相关的技术。

“技术遵循指数时间尺度，” Advantest America技术与战略副总裁 Keith Schaub 说。“工程师遵循的是非常缓慢的进化时间尺度。因此，尽管我们领先了数十万年，但最终它还是赶上了你们。当我毕业时，你只需要一个学士学位就能找到工作。下一代需要硕士学位。然后，再之后，就是博士学位了。当我今天环顾四周时，就像你需要多个博士学位，并且你需要能够每隔一年添加一个新的博士学位。这是不可持续的。我们不断增加这些新的挑战，例如异构集成和小芯片，虽然工程师在过去 10 年中学到的一切都很有用，但还不够。”

行业领导者、政府和教育界认识到变革的必要性，并且正在努力建立最广泛的合作伙伴关系，以开发和更新电子历史上的技能。

技术工人的短缺是芯片行业面临的一个紧迫问题，许多合作伙伴要么已经建立，要么正在建立，以满足这一需求。例如，亚利桑那州立大学(ASU) 与Advantest和NXP合作开设了一门有关射频测试的课程，为芯片测试行业培训工程师。

“从根本上说，这些与行业的对话始于和结束于劳动力，”亚利桑那州立大学 Ira A. Fulton 工程学院院长兼负责工程、计算和技术的副教务长凯尔·斯奎尔斯 (Kyle Squires) 说。“正在建设的新工厂的需求是巨大的。如果你真的想推动大量创新，你需要更多的人获得工程学位和技术人员培训机会。您拥有的越多，您可以推动新创新的想法就越多。如果我们做对了，那么我们就会真正做出改变。”

罗彻斯特理工学院(RIT) 获得了美国国家科学基金会(NSF)的六项资助之一，旨在为本科生提供与半导体相关的 STEM 优先领域的实践研究机会，并在 10 年间从 Onsemi 获得了 50 万美元的捐赠增加计算机芯片领域的工程师队伍。

“这些政府/大学/行业的合作伙伴关系至关重要，”RIT 凯特·格里森工程学院院长多琳·爱德华兹 (Doreen Edwards) 说。“根据《CHIPS 法案》，我们预计该领域会出现很多很多工作，我们所有人都需要加大教育力度来填补劳动力缺口。确实是所有人都齐心协力。它从最小的学生开始，让他们对科学感到兴奋，让他们对科学和工程提供的多种职业机会感兴趣并意识到这一点。这些合作伙伴关系将不仅仅限于大学、行业和政府，但我们也将开始包括社区合作伙伴和公众。”

康奈尔大学加入半导体教育联盟，旨在解决寻找人才和提高现有劳动力技能方面日益严峻的挑战。合作伙伴包括来自印度和欧洲的大学以及Arm、Cadence、半导体研究公司(SRC) 和台湾半导体研究院。“我们需要更多的人，更多的学生和工人，因为这是一个生态系统，”威廉·L·奎肯布什 (William L. Quackenbush) 材料科学与工程、电气与计算机工程教授兼该中心主任邢慧丽 (Grace) Xing 说。JUMP 2.0 至尊中心. “无论你在哪里谈论，你都不能指望极少数人来维持生态系统。”

那么，大学如何培养学生适应持续且快速变化的技术呢？这尤其困难，因为它涉及软件和硬件，以及更多特定领域和日益异构的架构。无论这些设备是连接电池还是插入插座，它们都需要更加节能。鉴于摩尔定律的放缓以及缩放带来的功耗、性能和面积/成本效益的缩小，这通常需要将计算机科学、电气工程以及封装中越来越多的机械工程结合起来。

Advantest 的 Schaub 认为，最重要的是，再多的课堂教育也是不够的。相反，他表示未来将需要数字工具，特别是基于大型语言模型的生成式人工智能。实际上，工程师需要更好的搜索工具，而不是依赖过去从一位工程师传授给另一位工程师的专业知识，因为这种情况不再能够足够快地发生，或者在芯片和系统设计日益复杂的背景下发生。

其他人也同意。“归根结底，课程发展的方式是因为你拥有推动特定领域研究的才华横溢的教师，”亚利桑那州立大学的斯奎尔斯说。“我们一直在积极聘用这些教员，猜猜他们是做什么的？他们不仅对这些主题进行研究，而且还为他们的教学提供了信息。因此，这开始将这些非常当代的想法有机地融入到我们现在的课程中。”

为了跟上技术的发展，亚利桑那州立大学提供了新课程，但也提供了课程的小部分内容，让学生有机会熟悉和了解最新的当代主题。

“坦白说，这太有趣了，”斯奎尔斯说。“机械工程师、电气工程师以及通过这些课程进行的学科培训，他们都得到了认可，我们有一个非常有力的过程，并将继续下去。但这些较小的、一口大小的课程可以让学生拓宽视野。因此，作为一名机械工程师，我可能不一定有学习能力或兴趣深度来学习异构集成的整个课程。但我可能对较小的、一口大小的作品持非常开放的态度，它正在研究封装的热性能以及由于异构集成等原因而发生的新效应。对于我们来说，变得更加灵活、更快地完成这些事情非常重要。这是一个巨大的机会。我们正在努力找出真正实现这一目标的最佳方法。但这也是通过终身学习影响当地劳动力的一种方式。”

斯奎尔斯补充说，任何专业的四年制工程学位的主要成果之一就是为学生提供思维方式和工具。“当新技术在他们的工作空间中出现时，他们将能够接受它，”他说。“所以这是在这种文化中建立这种心态的一部分。但这也涉及提供这些新途径，以更快地吸收知识和技能，这也许是我们现在面临的最紧迫的需求。”

最大的挑战之一是教学生如何跟上潮流。“我们问自己，‘好吧，当今就业市场的需求是什么？’”康奈尔大学的 Xing 说道，他指出该大学的重点是教授好基础知识，然后通过三层学习方法跟上技术的发展。“首先，这是一个常规问题，这就是你如何应用它。然后，这就是您如何将其应用于更现代的问题。最后，我们向学生提出未来问题的挑战。“你能想出解决方案吗，因为我们仍在研究这些问题，但我们不知道解决方案？” 我可以教你我们过去和最近所做的事情，但我也可以激励你。”

届时，学生可以加入跨学科研究小组，并与同事在感兴趣的领域进行合作。

在荷兰，埃因霍温理工大学(TU/e) 与台湾多所大学以及台积电和ASML等行业合作伙伴合作举办了首届暑期学校。主要目标是分享专业知识，为学生创建最相关的内容，这也有助于未来的招聘。

“我们需要的是像 70 年代和 80 年代那样受过教育的电气工程师，他们可以构建芯片，”TU/e 电气工程系光子集成组教授 Martijn Heck 说。许多学生转而学习软件，现在又学习人工智能，距离晶体管和硬件越来越远。“但是光子学正在发展，随着《欧盟芯片法案》的出台，势头正在增强，我们通过 CBL（基于挑战的学习）吸引人们学习基础知识，或者我们共同推销电子学和光子学，试图从其他专业挖走学生。光子学是半导体世界的一部分，我们看到这项技术正在日趋成熟。我们想要远离物理，我们还应该寻求更高的抽象。”

电气工程系集成电路组教授兼暑期学校科学主任 Aida Todri-Sanial 同意 Heck 的观点。“我们的专业是 CBL，我们希望学生从学士水平开始思考解决问题，然后在硕士水平上遵循不同的方向，例如人工智能方向、各种先进节点的半导体、汽车和量子物理。” 虽然她表示，毕业后没有正式的就业途径，但工业界正在推动大学将其项目加倍，毕业生可以有信心在本地或国外受聘。

为了在劳动力需求不断增长的情况下支持学术界，许多半导体公司还设有向多个机构开放的长期大学项目。其中包括Synopsys、Siemens EDA、Codasip、Ansys、Keysight、Arm、Teradyne、Imperas和Cadence，其项目提供软件、工具、技术支持、资助、课程和在线培训。该行业还通过一系列举措支持小学，例如Ansys最近与一级方程式赛车合作，吸引来自 58 个国家/地区的学生参加工程竞赛、介绍劳动力技能并激发就业机会。

当前教育课程的一大问题是芯片工程变得如此复杂和相互关联，以至于仅学习某一方面（例如电源、封装或嵌入式软件）已经不够了。当涉及到嵌入式安全时，这一点尤其明显，嵌入式安全涉及从硬件和软件到接口和 I/O 的一切。

“你可以聘请具有电气工程或计算机工程背景的人，他们了解底层硬件以及如何构建嵌入式系统以及如何开发它们，但他们通常不具备保护这些系统的背景，” MITRE首席嵌入式安全工程师兼微电子解决方案负责人 Dan Walters 说道。“或者你可以关注更多关注安全和网络安全的学生。这些通常是计算机科学学位。一些大学拥有计算机或网络安全学位，但这些学位确实以软件为主。这些学生不了解嵌入式系统以及随之而来的独特事物。我们本质上所做的就是从这两个群体之一中招聘人员，然后说，‘好吧，我们将为你们所缺少的另外 50% 的人进行在职培训。’”

对于全球芯片经济来说，这是复杂的一年，美国禁止出口先进人工智能芯片，中国也禁止出口关键原材料。此外，在大流行扰乱供应链之后，人们仍然存在挥之不去的担忧。

“我们这些在这一领域工作过的人已经认识到一段时间以来没有国内微电子和半导体制造基地的风险，”RIT 的爱德华兹说。“多年来与我们合作的所有公司都表达了这种担忧，当大流行来袭时，我们真正看到了我们是多么的脆弱。这确实刺激了政府、大学和行业的大量合作。这是我们 40 多年来一直在做的事情，但这些关系的数量在过去几个月里大幅增加。”

例如，RIT从美国商务部获得了200万美元的资助 ，以确保全球竞争力、保护国家安全和培养工程人才。爱德华兹指出，过去资金主要来自工业界，现在更多的投资来自政府。

一个重要的政府合作伙伴是美国国防部(DoD)。亚利桑那州立大学与国防部合作举办了一个研讨会，以改善亚利桑那州的半导体研发和培训。随后，亚利桑那州立大学和亚利桑那州董事会成为通过国防部微电子共享区域中心计划赢得资金的八个成功竞标者之一。该计划旨在为美国微电子研究人员和设计师创建从实验室到工厂的商业化途径。

“国防部从国家安全的角度出发，出于充分且显而易见的原因进行思考，”亚利桑那州立大学的斯奎尔斯说。“如果他们的某些平台或技术容易受到攻击，那么他们就会暴露出来。我们正在寻找我们的专业知识、我们想要发展的方向以及其中一些关键平台技术之间的交叉点。所以它是分享想法并说，‘你有这个需求，我们有这个专业知识。我们有互补的协同效应吗？事实证明，我们确实做到了，而且这是一种协同作用，可以提供资金以进一步推进。这很重要，因为这将从实验室桌面上的发现一直到国防部系统中的实际原型。这就是整个价值链。”

Squires 表示，学术界/行业合作伙伴关系以及 CHIPS ACT 的资金可以推动美国半导体在设施、设备和专业知识方面的创新。“虽然像台积电和英特尔这样的公司拥有惊人的规模，但他们需要这个中立的立场，在那里他们可以与创新者、小公司、教师合作，并开始真正了解这些创新是否有机会实现规模化。”

其中一项合作伙伴关系涉及亚利桑那州立大学、应用材料公司和亚利桑那州商务局。目标是创建一个共享的研究、开发和原型设计设施，以加速创新从构思到工厂原型的转移。

“应用材料公司的合作伙伴关系始于几年前，最终是他们的一些工程师、他们的领导层和我们的一些教员之间的联系，”斯奎尔斯说。“最初只是相互探索。菲尼克斯是半导体制造和创新的焦点，因此应用材料公司希望来到这里是有道理的。他们的客户在这里。英特尔来了。台积电来了 事情确实是这样开始的。我们有这些问题、这些需求，而你们都拥有这些专业知识。通过这些对话，我们开始围绕项目建立小型合作伙伴关系，让学生参与大学擅长的事情。”

与此同时，大学必须对地缘政治问题保持敏感。在某些情况下，参与可能仅限于公民身份或绿卡持有者。安全在许多此类关系中发挥着关键作用。

此外，斯奎尔斯还指出了半导体制造关键材料的问题。“这些仍然来自世界上具有挑战性的地区，这是我们开始围绕的另一个对话，”他说。“所以我们问，你如何看待重用？您如何看待回收？我们谈论的很多内容实际上都是从地下开采矿物。过去所实行的方式几乎令人震惊。事情并不一定是这样的。因此，如果我们真的做对了，很多事情都会发生有利的改变。”

地缘政治又增加了解决这些问题的紧迫性。“我现在将其称为危机，”康奈尔大学的邢说。“首先，由于目前地缘政治紧张局势，我们受到了影响。我们现在很难从某些国家获得人才。一些国际学生来到我们这里面临着更多的法律障碍。从这个意义上说，就人才库而言，我们肯定受到了影响。”

来自不同国家的大学和组织之间建立了许多伙伴关系，地缘政治问题只是一个背景问题。例如，美光科技和东京电子与美国和日本政府以及包括 RIT 在内的 11 所大学合作，为两国培养更加强大和高技能的半导体劳动力。

至于荷兰与台湾的伙伴关系，TU/e的国际关系总监来自台湾，她推动了这一伙伴关系的想法。“这是一次自然的合作，特别是因为我们有一个台湾网关，”TU/e 的 Todri-Sania 说道。“我们远离政治，这对学术界的挑战不如对工业界的挑战。这种伙伴关系是关于科学的。作为一所大学，我们非常中立，尽管我们确实认为公司受到了更大的推动，最终这将影响大学。”

此次暑期学校，15名TU/e学生和15名台湾学生齐聚TU/e校园，未来TU/u学生可能会回访台湾大学。

TU/e 的赫克表示，他对学术/工业合作伙伴关系有着复杂的感受，因为大学必须保留“最大的自由”来制定课程和开展研究。然而，赫克表示，只要边界到位，合作伙伴关系可以在三个关键方面提供帮助。首先，它们支持活动和设施，例如 ASML 最近资助了 TU/e 的最先进的洁净室。其次，“我们需要保持课程的相关性。物理和数学是基础课程，我们需要人们接受这些领域的教育。但电气工程技术的发展速度非常快。这是人类有史以来最先进的技术。如果技术每两年翻一番，课程就不能保持不变。我们需要掌握这一点，这就是我们需要与行业建立联系的原因。”

最后，优秀的课程以及与知名组织的合作伙伴关系有助于吸引学生和教师。

为了加速美国信息和通信技术的进步，SRC和国防高级研究计划局(DARPA) 启动了联合大学微电子计划 2.0 ( JUMP 2.0 )。六所美国大学被选中建立和运营一个专门从事特定高风险、高回报研究领域的中心，研究范围从下一代人工智能到新兴存储设备以及新型电子和光子互连结构。

康奈尔大学中标建设高级节能材料与器件SUPREME中心。邢说，一个关键目标是开发不同的研究方法，并通过利用人工智能提高其效率，同时不影响准确性。教师共同决定康奈尔大学应申请哪个 JUMP 领域。

“康奈尔大学在先进材料领域拥有近十年的历史，因此这是我们最受认可的优势之一，”她说。“你想要建立你的声誉，因为声誉对于吸引你的团队以及建立你的劳动力发展来说也很重要。所以这是一个很大的角度。这是建立许多此类合作伙伴关系的主要原因之一。对于最优秀的人才，你总是必须积极招募。我相信过去20年唯一不需要积极招聘的领域是计算机科学。”

人工智能技术和网络安全是热门话题，导致了众多大学/行业的合作，例如 RIT 与阿尔斯通合作推进交通运输行业的网络安全教育、开发和研究，以及 RIT 与外交安全局之间的另一项合作，以识别并解决恶意网络行为者使用的最新技术。

RIT 的 Edwards 表示：“网络安全将成为与制造、物联网或系统如何相互通信相关的所有领域中越来越重要的问题。” “现在规模很大，我们看到许多不同的学生和许多不同的专业正在处理这些信息。”

至于人工智能，Edwards 表示 RIT 获得了 NSF 的培训资助。“我们涵盖了从开发推动人工智能发展的技术到使用人工智能的方方面面。然后我们有很多研究人员将它用于完全不同的事情，无论是发现材料特性还是医疗保健。”

虽然人工智能和网络安全都源于计算机科学，但它们现在正在跨越电气工程、计算机科学和计算机工程之间的传统界限，无论是在教师研究还是课程方面。“这很重要，但它也为学生提供了就业技能，”亚利桑那州立大学的斯奎尔斯说。“人工智能的下一波浪潮将会更加猛烈。专家们已经开始将其纳入课程中。但这将是一项更广泛的举措，对于亚利桑那州立大学来年来说将非常重要。”

尽管如此，当涉及到硬件安全时，挑战是在正式项目很少（如果有的话）的情况下如何让学生对这个主题感兴趣。因此，MITRE在大学生和最近的高中生中创建了嵌入式夺旗 (eCTF) 竞赛，为他们创建一个安全的系统，让他们从错误中学习。此后的竞争还暴露了教育系统的其他弱点，那就是半导体安全也具有全球供应链要素。

“2022 年，我们将其作为竞争的一部分，其中底层硬件可能会受到损害，”MITRE 的沃尔特斯说。“我们要求学生设计他们的系统，使其能够抵御系统中内置的潜在恶意硬件组件。我们对此得到了非常有趣的回应。很多同学问：你在说什么？这怎么可能？得到的答复是：“是的，这很难。” 但这就是我们在现实世界中所做的事情。因此，您可以把头埋在沙子里，也可以开始努力并改变您的思维方式，以设计具有弹性的系统。然后，当你进入职场时，你就要做好准备，因为这就是你的雇主会要求你考虑的事情。”

有趣的是，竞赛让学生思考嵌入式安全性，即使当前课程中没有提供该安全性。“他们正在推动这一进程，他们吸引新生，教他们需要学习的东西，吸引外部演讲者在每周的会议上发言，”他说。“他们很有竞争力，游戏化让他们想要获胜。他们正在努力教年轻的学生，并出去寻找资源，共同使整个团队变得更强大，以便他们能够赢得比赛。但他们也将自己变成了嵌入式安全劳动力中非常有价值的资产。”