许凯 | 筑集成电路之基 创科技自强之“芯”

作为新工业革命时代的战略性、基础性和先导性产业，集成电路产业是现代化产业体系的核心枢纽，也是推动经济高质量发展、实现中国式现代化进程的关键所在。它不仅在能源安全与碳中和方面发挥着关键作用，同时也是智能机器人和数字中国建设的重要基础。集成电路技术的快速发展，对于提升国家战略竞争力和国际地位具有重要意义。

当前，在全球范围内，集成电路技术正处于快速变革与创新的新时期。目前，集成电路器件工艺发展受限，传统设计工具效率低下，各种架构快速兴起，作为一个高度交叉的学科，集成电路学科亟须从器件工艺、设计方法与工具、芯片架构直到顶层应用和产业转化等多个层次协同发展。

▲许凯

“在中国大陆市场所用的芯片中，超过70%为国外产品。市场需求大，又高度依赖进口，‘卡脖子’问题依然突出。”浙江大学杭州国际科创中心研究员许凯说。立足于我国的集成电路产业现状，他不断创新集成电路器件研究，矢志通过不懈的科研探索，为中国的“缺芯之痛”贡献科研力量。

驰骋国内外，追梦不停歇

从本科阶段至今，许凯的研究方向始终和物理息息相关。许凯是如何与这一领域研究结缘的，还得追溯到其硕博连读时期。

2013年，曾任英特尔总设计师的鲍勃·寇威尔先生预测，2020年可能是摩尔定律失效的最早时间。2015年，摩尔先生本人再次预测，摩尔定律将于2025年失效。关于摩尔定律快要失效了，摩尔定律已经逼近极限……这样的声音不绝于耳。

“摩尔定律为什么会失效？我们又能在其中做些什么呢？”在这一背景下，许凯逐渐对半导体行业产生了极大的好奇心。在国家纳米科学中心何军教授的引领下，许凯逐渐投身于半导体器件和材料的相关研究中，并对这一领域的研究内容产生了极大的兴趣。

为了能够深入这一领域学习更多前沿科研知识，2017年许凯获得国家纳米科学中心的博士学位后，同年便赴美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校电子计算机工程系从事博士后研究工作。“伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校在集成电路领域有着深厚的研究基础，晶体管的发明者之一约翰·巴丁曾是该校的名誉教授，并两次荣获诺贝尔物理学奖，到那里，我希望能够接触到相关领域更加先进的技术。”许凯说。

读博和从事博士后研究期间，为了解决硅基集成电路在摩尔定律失效先进制程的瓶颈问题，许凯和研究团队利用低维半导体材料制成了7nm的晶体管，用科学研究证明了这种物理材料的潜力及可行性，为其今后科研工作的开展奠定了坚实的基础。

立足产业一线，大胆科研创新

“美国的集成电路产业十分发达，在国外留学期间，我清楚地看到中美之间存在的差异，当时就想着尽快回国，投身于相关领域创新研究中。”许凯说。2021年10月，阔别祖国多年的许凯回国加入浙江大学杭州国际科创中心，开始了全新的科研之旅。

浙江大学杭州国际科创中心成立于2019年2月28日，是新时代浙江大学和杭州市全面深化市校战略合作共建的重大科技创新平台。中心主要聚焦物质科学、信息科学、生命科学的会聚融通，打通前沿科学研究、颠覆性技术研发和成果产业化的全链条。立足我国相关产业发展现状与浙江大学杭州国际科创中心的平台优势，回国后的许凯在吴汉明院士的鼓励和引领下，大胆突破自己的舒适圈，积极投身到集成电路领域的相关创新研究中。“吴汉明院士40岁左右从理论物理领域跨越到集成电路研究中，他的经历一直鼓励着我，只要想做，什么时候都不晚。”许凯说。

近年来，中国集成电路行业持续高速发展，已经成为全球集成电路市场的重要力量。作为全国唯一一个12英寸CMOS集成电路芯片设计与制造成套工艺的技术研发平台，许凯目前在浙江省集成电路创新平台主要负责集成电路器件的仿真搭建、实验设计，还有器件性能调试。除此之外，基于其博士、博士后阶段的研究基础，他还将大量的心血放在了利用低维半导体材料搭建微纳器件，用于解决传统半导体材料的瓶颈上。

通过对中国的集成电路市场进行分析，许凯发现我国在模拟芯片领域还与国外存在着较大的技术壁垒。目前中国是全世界最大的模拟芯片市场，且需求还在逐年增加。模拟芯片设计的根基在于工艺，也即应用广泛、性能卓越的BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺。它集中了Bipolar晶体管的精度高、跨导大，CMOS晶体管高集成度、低功耗，DMOS器件耐压高、输入阻抗高等特点，通过将不同功能模块集成，减少了系统内部的互联，提高了系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性等。

▲集成电路器件研发团队合照

在浙江省重点研发计划的支撑下，许凯及其科研团队将立足国内先进的BCD工艺技术空白，中高端应用领域的供给明显不足的现状，和团队成员一起攻关建设先进BCD工艺线，突破关键技术指标，实现集成电路技术的自主可控，加快解决集成电路“缺芯少核”问题。

近些年来，随着5G、AI、IoT、VR/AR、高性能运算等技术应用的不断推进，我国集成电路的产业规模不断壮大，产业技术创新能力大幅增强。在信息技术的快速发展和智能化、数字化的快速演进下，中国集成电路市场呈现出爆炸性增长，消费电子、通信、计算机、汽车电子等领域对集成电路的需求持续增加。在这一背景下，许凯及其科研团队还将利用先进的人工智能技术，如机器学习、数据分析等，进一步实现集成电路智能制造流程的精益化和自动化。

团队协作，共拓科研之路

科学是一条长长的河流，在涉水过河的过程中难免会遇到很多困难。“集成电路器件制造是一个多人协作的过程，有时候整个制造过程需要上千个步骤，只要其中一个步骤出现问题，就可能耗费更长的时间去寻找问题的成因，而这个过程就需要科研人员具备充足的耐心与恒心。”许凯说。在这一过程中，他最感谢的就是和自己一路并肩前行的团队成员。在他看来，集成电路器件的制造是团队集体力量的集成，每个成员都发挥着至关重要的作用。“集成电路器件制作不仅需要团队成员具备知识的深度与广度，更需要团队的每个部门都不能有短板，如果某个部门或者某个人掉了链子，那么结果就不一定是好的。”许凯说。

转眼间，许凯来到浙江大学杭州国际科创中心这一平台已将近3年。这段时间，他将研究立足产业一线不断摸索、锤炼自己的研究技能，对集成电路器件领域的研究创新与人才培养有了更加深度的思考。

在许凯看来，每个集成电路领域的从业者，在真正步入社会从事这一领域的研究工作之前，都需要对这一领域研究有一定的熟悉度，只有这样才能真正深入产业一线，解决相关行业问题。因此，学生在硕博阶段，许凯就引领他们立足于平台开展相关的研究工作，让他们在学校期间就提早认识并了解到集成电路行业是如何运转的，以便今后从事研究工作能够更好地根据产业发展现状，解决相关科研问题。

笃行不怠，履践致远。近些年来，浙江大学杭州国际科创中心的科研团队也在日益壮大，作为中心的管理人员，许凯也一直在学习如何更好地管理团队，将团队中每个人的力量拧成一股绳，形成更大的合力，更好地投身到集成电路的相关研究工作中。“从始至终，不管是人才培养还是科研创新，我们始终面向产业一线进行人才输送和落地应用，未来我也希望我们所做的工作能够更好地得到市场的检验，为我国的集成电路领域发展作出更大贡献。”许凯坚定地说。