亚利桑那大学活动中心

在俄亥俄州立大学的纳米技术实验室，学生可以获得关键半导体工艺技术的实践经验。 图片来源：IEEE Spectrum

旨在推进美国本土芯片制造业的《芯片与科学法案》今年3月已开始接受补贴申请，在此之前，包括美光、台积电、三星和英特尔在内的企业均规划了在美建厂的计划，它们面临的问题是，如何找到运营这些工厂和设计芯片所需的合格人才？

根据美国半导体行业协会2020年9月的一份报告，目前美国制造的芯片仅占全球产量的12%，低于1990年的37%。专家称，在过去几十年里，美国半导体和硬件方面的教育停滞不前。要使《芯片与科学法案》取得预期的结果，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（中学后学习两到三年后授予的本科学位）到博士学位的培训。

美国普渡大学电气与计算机工程教授彼得·伯梅尔（Peter Bermel）称，到2022年底，美国半导体行业大约有20000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50000名员工。我们需要非常迅速地加大努力。”

据美国电气与电子工程师协会官方刊物IEEE Spectrum 5月13日报道，为了解决这个问题，美国高校正在竞相培养芯片人才，大学和社区学院正在改进与半导体相关的课程，并在彼此和行业间建立战略合作伙伴关系。这则报道有助于了解美国高校和企业目前在半导体人才方面的最新布局。

英特尔向俄亥俄州高校提供5000万美元

芯片制造商押注美国中西部，很大程度上是因为那里有大量研究型大学和技术学院。

以英特尔为例，该公司希望在俄亥俄州打造一个“硅的中心地带”。除了在4平方公里的土地上建造两个尖端芯片工厂外，英特尔还承诺向俄亥俄州80所高等教育机构提供 5000万美元资金。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经流向俄亥俄州立大学，该校将领导一个新的跨学科的先进半导体制造研究和教育中心（Center for Advanced Semiconductor Fabrication Research and Education ），集中10所州内院校的资源。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，但俄亥俄州立大学现在希望招收其他学科的学生。该校正在修改课程以反映最新的行业技术。

俄亥俄州立大学工程学院院长阿亚娜·霍华德（Ayanna Howard）表示，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。“现在我们正在将制造业带回 （美国） 海岸，我们的课程现在正在引入所有这些一直需要的组件，但还没有被按照培训所有这些工程师所需的规模纳入计划。”

霍华德称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“俄亥俄就业（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求。“当英特尔来到这个地区时，它确实强化了我们一直在思考的所有事情。”

除了与其他州立大学一起领导两个项目外，俄亥俄州立大学还与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？”

比如在2021年秋，俄亥俄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，让他们无需成本昂贵的洁净室就可以学习。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。

普渡大学新推跨学科半导体学位

在英特尔开发区以西约400公里处，另一座晶圆厂正在计划中。2022年7月，SkyWater Technology宣布在印第安纳州西拉斐特（West Lafayette）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获得半导体行业所需核心技能的一系列选择。虽然电子电器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。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。学生可以选择辅修该课程，获得硕士学位或证书。

SkyWater的代表将在普渡大学的研讨会课程中向学生介绍各种职业选择。学生将在普渡大学的纳米技术中心和半导体公司积累经验。

该项目以普渡大学的SCALE计划为基础，SCALE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。普渡大学认为，虽然SCALE专门针对国防微电子学，但它和半导体学位课程具有协同作用。

今年，普渡大学将启动一项为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常春藤科技社区学院（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，普渡大学团队还计划联系当地高中，以帮助学生了解附近晶圆厂的工作机会，以吸引更多学生学习工程学。

在SkyWater佛罗里达工厂的暑期实习经历，巩固了普渡大学本科生阿尼卡·布奥帕伦（Anika Bhoopalam）对半导体行业的兴趣。 布奥帕伦主修化学工程，辅修电气和计算机工程，她认为自己攻读的物理、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，因此可以继续从事芯片制造工作。

伊利诺伊大学与台积电合作

传统上，学生在研究生院开发、构建和测试集成电路，但美国一些大学正试图更早地提供第一次实践经验。2021年秋，伊利诺伊大学香槟分校的电气和计算机工程教授帕万·哈努莫卢（Pavan Hanumolu）和拉克什·库马尔（Rakesh Kumar）创建了一个名为“高级系统设计”的课程，在课程中带领高年级本科生完成集成电路制作的每一步。

伊利诺伊大学香槟分校的本科工程专业学生参加了一门关于设计和构建IC的课程，该课程曾被认为是研究生水平的工作。 图片来源：伊利诺伊大学

“这是一项细致入微的工作。”哈努莫卢说，“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，那可能会缩短扩大行业人才库的途径。”

在课程中，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。设计被发送到台积电工厂进行制造，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。库马尔说，到目前为止，已有30名学生参加了这门课程，其中一些人已经在苹果、英特尔和西门子等公司实习和工作。

亚利桑那州立大学有更多学习设备

虽然尖端芯片厂在美国中西部可能是新事物，但在西南部，亚利桑那州立大学在为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建设其工厂，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，台积电在凤凰城的大型晶圆厂于2021年破土动工。亚利桑那州立大学工程学院院长凯尔·斯奎尔斯（Kyle Squires）称，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。

工作人员（左）和学生走过MacroTechnology Works研究机构的实验室，亚利桑那州立大学的学生在这里使用晶圆厂设备。 图片来源：亚利桑那州立大学

“你可以在我们的DNA中看到，这种半导体势力的起源可以追溯到60年代。”他说。很大一部分电子电气专业的教师具有行业经验，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。这是一个反馈回路。”

亚利桑那州立大学拥有大型微电子设施，最初是摩托罗拉的半导体工厂，大三和大四的电子电气专业学生可以选择选修课，在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获得培训。斯奎尔斯承认，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不现实，因此与行业合作伙伴建立关系可以帮助弥补差异。

社区学院也是关键

英特尔大学研究合作主管加布里埃拉·克鲁兹·汤普森（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7000个工作岗位中，大约40%的人拥有两年制学位，20%的人拥有学士、硕士和博士学位。

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制学位的操作员和技术人员以维持工厂的运转。汤普森说，这使得社区学院成为解决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。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“硅实验室（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。三星为奥斯汀社区学院一项培训高中生的计划提供了支持。与此同时，该公司的“工厂学徒计划（Fab Apprentice Program）”允许学生每周在三星工作两天的同时完成副学士学位。“只要学生的平均学分绩点保持在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米歇尔·格莱泽（Michele Glaze）说。

全球范围的人才短缺

半导体人才短缺并非美国独有的问题。据报道，中国台湾生产了全球约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，提高工资，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。三星的格莱泽表示：“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，中国台湾当局正在与芯片公司合作，为顶尖大学内以芯片为重点的专业研究生院投资3亿美元，以培训下一代半导体工程师。

英特尔的汤普森说，吸引更多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电子电气专业的学生。”她说。

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。普渡大学教授彼得·伯梅尔说，这包括“为学生提供更好的机会，可能的话，即使只在本科一年级之后就给他们高薪，同时也让公众更加清楚为什么半导体公司很重要”。