xucvai · 10月16日

以后想做芯片,在大学里面要学好什么课?

文章来源微信公众号:IC加油站 https://mp.weixin.qq.com/s/BGda-EFJH_zuZzRrmvLh9A
作者:硅谷老李

2020年的高考刚结束,各省分数也陆续公布。高中毕业生接下来要面临的一个问题就是填报志愿。众所周知,近几年集成电路是我国的热点话题,也是我们国家在重点发展的产业。特别是最近美国针对华为海思芯片的制裁,让全国上下深刻认识到了集成电路,特别是先进工艺集成电路制造的重要性。这里我们假设有个高中毕业生小李,作为一个心怀远大志向的青年,决定报考某985大学的集成电路相关专业,打算以后投身到祖国的集成电路建设事业中去,那么在大学里,小李要学好哪些相关的课程呢?今天老李就以一个学长的身份,来跟小李聊一聊,在大学里要学好哪些课程,哪些课程在之后找工作的时候是最有用的。

首先,作为一个工科生,尤其是信息科学学科方向的工科生,大家在大学前两年的课程基本都差不多。大一的课程我们称作基础课,也就是说任何方向,甭管你是之后要做通信,软件开发,人工智能,集成电路,仪器仪表,大一和大二上半学期的课基本都是一样的,归类起来可以分为三大块:数学、物理、计算机基础。

老李首先来聊聊数学。数学课最核心的课程包括高等数学(微积分)、线性代数、概率统计三大块。可以这么说,无论你将来干任何工作,这三大类课学好你都会受益无穷。当年老李也是被大学里的数学课虐得死去活来,甚至对数学产生了厌恶,以为选择了数字芯片设计就可以暂时逃离这些数学,但是后来实际发现,尽管在实际工作中确实用不到解数学题,但是拥有一个高等数学的思维是至关重要的。在这里老李重点强调一下线性代数和概率统计,现在大火的人工智能,机器学习,还有前些年火现在依然是求职热门的数据分析相关职位,线性代数和概率统计可以说是这些工作的基石。最近热门的人工智能芯片,神经网络,卷积等等都是需要有矩阵和线性代数作为基础的。所以说,哪怕将来不做集成电路,无论研究生学习什么专业,工作之后从事什么方向,进入大学后,踏踏实实学好数学课都是百分之百正确的。

至于物理课的基础课,在信息科学相关专业里需要学好的是电学和量子力学和统计力学。电学基础不多说,大学物理里面学习的内容是高中物理的延伸。之后大家还要上一门课叫“电路原理”,这门课算是电子信息科学类的入门基础课,这门课学不好,后面的所有专业课的基础都是不牢固的。量子和统计是半导体电子学的基础课,里面会学到关于势垒波函数能级等等概念。在之后学习半导体物理、半导体器件的时候,老师会当做大家已经掌握了这些基本概念。所以如果量子和统计没有学习好,之后如果选择半导体物理、固体物理、半导体器件方向就会觉得很难。

第三就是计算机的基础课了,简单来说就是包括一门程序设计语言加上算法数据结构。这两门课的重要性老李再怎么强调都不为过。和数学物理相比,这两门课某种意义上来说是可以直接转化为生产力,就是说可以以后用这两门课吃饭的。无论将来从事什么职业,会编程已经是每个工科生的必须要求。而且公司面试的时候真的会考察你的编程能力,考察算法题。不要觉得你选择了集成电路设计或者半导体器件就不需要掌握编程,老李可以直白的告诉你,你工作的内容可能不是直接写程序,但是工作里面写程序是不可避免的。退一步讲,即使你大三大四研究生不打算继续做集成电路,打好编程的基础对于你转到其他方向,比如软件互联网方向只有帮助,没有阻碍。切记,程序设计、算法数据结构这两门课值得你大一大二花足够多的时间,千万不要轻视。

进入大二下以及大三上,大家就会接触到一些专业课了。专业课又分专业基础课和具体方向的专业课。以集成电路这个专业为例,老李觉得这三门专业基础课最为重要:信号与系统、数字电路基础、模拟电路基础。注意,这三门课依然属于基础课,也就是说学到的内容在后续更专业的课程中会被大量用到。学习了数字电路和模拟电路,芯片这个“黑魔法”对你来说就揭下了神秘的面纱。学完这两门课,虽然你可能没有足够的知识做一个可以工作的芯片,但是一个芯片里面最底层的逻辑你已经了解。在外行人看来芯片是一个黑色的盒子,而你可以透过那个盒子,知道芯片的本质是晶体管,是放大器,是与或非门触发器状态机组成的东西。学这两门课的时候,大家就可以体会一下自己更加喜欢数字电路多一些还是模拟电路多一些。一般来说数字电路相比较模拟电路要更加直观容易,而模拟电路所需要的数学、物理基础要比数字电路要高。另外模拟电路里很重要的一部分是信号分析零极点还有噪声的内容,而这一部分内容又需要信号与系统这门课的知识。所以老李接下来聊聊信号与系统这门课。信号与系统是教你如何用数学工具解析物理信号及转播的本质的学科。信号与系统这门课所打下的基础,几乎对所有电子科学类的具体方向都是必要的。举例来说,做模拟电路需要掌握频域分析零极点,做通信的话频域分析傅里叶变换线性系统那更是基础中的基础,做图像语音识别处理也需要线性系统频域转换,甚至卷积这个在人工智能中最基础的词汇你可能第一次见到是在信号与系统的课堂上。一直以来,很多学校的电子信息科学大类各个专业的考研课程都包括信号与系统。所以说,这门课的重要性老李觉得可以和线性代数、电路原理相提并论。学好这门课,你之后的专业方向非常广阔,但是如果没有学好,你以后的专业选择就很有限了。

进入大三大四,终于你要开始学习更加专业的课程了。老李这里就不聊其他方向了,只聊集成电路方向。老李很喜欢把集成电路和盖房子类比起来,这样让其他人好理解。我们要盖一个房子,笼统地分可以分为设计和建造。设计就是建筑设计师根据需求设计出图纸,建造就是施工队根据图纸把水泥砖块钢筋这些原材料组合在一起,把房子盖起来。做一个芯片也一样,需要有设计人员根据需求设计出图纸,然后有专门的厂家根据图纸把芯片制造并大批量生产出来。当然和房子有销售人员一样,芯片行业也需要销售人员,老李这里就暂不讨论销售,只讨论两个大方向:设计和制造。设计和制造所需要的专业知识和技能是很不一样的,有些学校例如清华北大在本科阶段并不区分,两方面的课程都学。有些学校例如电子科大从专业名称上就能够看出专业的侧重点,比如叫“集成电路设计与系统设计”的那就是偏设计,而“半导体电子”“微电子”“固体电路”可能就会更加偏重制造一些。但是大体上来说两个方向的基础内容本科都会接触到,而到了研究生的时候肯定是要细分开的。

设计方面,具体的专业课有:数字集成电路设计,模拟集成电路设计。这两门课是在数字电路基础和模拟电路基础两门课之上更加贴近工业界的实用课程。老李就不说具体的专业名词了,对于即将走入大学你,通俗来讲,如果你要进入集成电路设计企业比如海思、紫光展锐、英伟达、联发科等,你会被面试到的知识就来自于这两门课。学完这两门课,如果你学得足够好的话,你就达到了进入企业设计芯片的门槛。更通俗来讲,以后你就是靠这两门课之一吃饭。老李这里再多说一句,如果你要做数字集成电路,学好另外一门课“计算机体系结构”至关重要,这门课加上数字集成电路设计就是你饭碗的保证。

制造方面,具体的专业课有固体物理,半导体器件,集成电路工艺等课程。我们国家目前要极力追赶的,便是先进工艺的制造生产能力。目前台积电和三星是集成电路生产的世界领头羊。而设计方向的差距并不像制造这么大。如果有同学有志于要为这份追赶出力,那么需要学好这几门课程。当然,要想真的在高精尖前沿工艺上有所建树,读个硕士甚至博士也是必须的。

总结一下,老李认为以下课程是你在大学里要好好学习的:

数学类:微积分,线性代数,概率论与统计

物理类:电磁学,量子力学

计算机基础:程序设计语言,数据结构与算法

专业基础课:电路原理,数字电路基础,模拟电路基础,信号与系统

集成电路设计专业课:数字集成电路设计,计算机体系结构,模拟集成电路设计

集成电路制造专业课:固体物理,半导体器件,集成电路工艺

当然,其他的很多课程也很有价值,老李这里不是建议大家只学这几门课程而忽视其余课程,因为维持一个好的总成绩在将来读研究生以及找工作的时候都是重要的。老李的建议只是作为大家分配自己学习资源和精力的一个参考。大家如果有其他关于专业相关的问题,欢迎在评论区留言,老李会尽力帮助大家解答。

最后,老李回想起十二年前的那个夏天,出于对集成电路的好奇老李选择了清华的电子信息大类,在大二下分流的时候又选择了微电子方向,之后一直在集成电路设计行业摸爬滚打,见证了行业从45nm到5nm工艺的进步,也见识了周围人离开集成电路行业投身软件互联网的转方向大潮,更经历了中美关于芯片争夺制造这个科技制高点的波折与斗争。十二年老李也算是不负自己的初心,始终在这个行业里坚持着。老李对于集成电路行业的未来依然抱有很大的信心,这个信心来自于人类对于科技和便利生活的追求。在这个追求的过程中,集成电路一定是不可或缺的角色。对于选择加入这个行业的你们,老李感谢你们,祝福你们。

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