【论文选刊】马万里 马永红 刘贤伟：基于知识生产的产学共生机理探究——普渡大学半导体学位项目透视

作者简介：马万里，北京航空航天大学高等教育研究院博士研究生；马永红，北京航空航天大学高等教育研究院教授，北京市哲学社会科学研究生教育改革与发展研究基地首席专家；刘贤伟，北京航空航天大学高等教育研究院副教授。

随着新一代产业革命蓬勃发展，以集成电路、人工智能为代表的战略性新兴产业规模不断壮大，其高质量发展取决于关键核心技术的突破。党的二十大报告指出“以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战”。《2021年美国创新与竞争法案》强调企业与大学合作共同促进半导体等十大关键核心领域的发展，以确保美国在全球尖端科技领域的绝对领先地位。^[1] 关键核心技术作为具备关键性与独特性的技术体系^[2]，是基础科学、技术科学与工程科学的结合体。由此凸显的学科交叉融合、多元主体协同、动态创新链接等特征，要求人才培养与技术创新必须从封闭走向开放，实现供给侧与需求侧无缝衔接。但从相关研究看，高等工程教育与产业发展对人才的需求存在较大差距，两者耦合协调度有待提高。^[3] 可见，传统产学合作已难以适应战略性新兴产业发展与新时代卓越工程师教育培养的需求。

20世纪90年代，吉本斯（Michael Gibbons）在新技术革命背景下提出知识生产模式Ⅱ。^[6] 埃兹科维茨和雷德斯多夫提出“大学-产业-政府”三螺旋（Triple Helix），进一步丰富了知识生产模式Ⅱ的内容。^[7] 19世纪以来，学术界与产业界紧密联系的经典案例如德国工科大学的兴起及美国“赠地学院”与“威斯康星理念”，都是知识生产模式Ⅱ的经典注脚。21世纪，随着知识经济兴起，卡拉雅尼斯（eliasg.carayannis）提出“大学－产业－政府－社会组织”“四螺旋”知识生产模式Ⅲ，扩大了知识生产内涵与外延。模式Ⅲ以“集群、网络、生态系统”为核心要义，强调知识生产的社会效用。^[8] 2013年，《斯坦福2025》提出“开环大学”（open loop university）将虚拟课堂与实践课堂相结合，学习不再受时空局限^[9]，实体与虚拟网络交互的新知识生产模式已崭露头角。近年来，全球信息化进程不断加速，“ChatGPT”为代表的虚拟网络逐渐屹立潮头，知识生产演化出“大学－产业－政府－社会组织－虚拟网络”五螺旋知识生产模式Ⅳ雏形^[10]，呈现群智交互特征。在此视角下，大学与社会其他机构的互动日益频繁，多元主体基于自身需求参与知识生产，知识生产场所与主体呈现“弥散性”“异质性”“人机交互”等特征，知识生产不再拘泥于高深学问的争鸣抑或单一主体的局限，而更加注重广泛的实用性和创新性。

图 1  案例分析框架

SDP硕士项目旨在培养微电子学领域的领导者，满足社会发展对半导体行业工程师日益增长的需求，完成项目可获得硕士学位或授予相当于硕士学位的资格证书。^[15] 具体培养目标包括三方面：掌握半导体和微电子学领域的专业知识；识别和构思高阶问题并运用数学和科学知识解决问题；能运用所学领域的知识、技术与技能解决问题。在培养目标导向下，课程体系设置、师资队伍配备及多主体协同研究与实践，紧密围绕工程创新，服务产业发展与社会需求。为保障项目高质量开展，普渡大学邀请英特尔（Intel）、英伟达（NVIDIA）等24家半导体领域国际企业组建了半导体学位领导委员会（Purdue Semiconductor Degree Leadership Board），成员由24家公司高层管理人员组成，共同为该项目设计与实施提供建议与咨询。在此基础上，SDP硕士项目运行形式更加灵活多样，不仅面向在校生，也为其他有志于从事半导体行业的人员提供线上课程或线上线下混合学习方式，呈现“大学－产业－政府－社会组织－虚拟网络”五螺旋知识生产模式Ⅳ雏形。

（一）知识类型的多维聚合：非线性交互式课程体系

SDP硕士项目规定学生要修满30个学分，课程体系覆盖半导体材料、器件和制造到集成电路设计、异构集成和高级封装工艺的全产业链。学生可基于研究兴趣，围绕半导体材料（semiconductor materials）、先进半导体器件设计与模拟（advanced semiconductor device design and modeling）、集成电路和系统设计（integrated circuit and system design）、先进封装和异构集成（advanced packaging and heterogeneous integration）等领域自主选择研究方向与对应课程。同时，基于集成电路学科对工程实践的要求，SDP硕士项目通过伯克纳米技术中心（Birck Nanotechnology Center）等校内共享实验室，开设了基于芯片生产流程的实践课程，作为理论课程的有效补充。对线上参与的学生，也提供配备最先进半导体材料和器件制造设备的虚拟实验室（vFabLab、nanoHUB），为课程学习与实践模拟提供沉浸式平台支撑。课程体系涵盖各研究方向的核心课程与学分要求见表1。^[4] 学生可根据研究方向进行选择并修满至少9个学分。另外，学生须选择两门电子与计算机工程（ECE）专业的核心课程并修满6个学分（见表2）^[4]，以及两门数学相关课程并修满6个学分。此外，学生还可从机械工程（ME）、工业工程（IE）及工学院中与微电子学和半导体专业相关的其他专业开设的课程中，选择与研究方向相符的课程（最多9个学分），包括拓宽研究广度的课程（如异构集成与电子封装导论）及诸如工程领导沟通等与职业发展相关的课程。以集成电路和系统设计方向为例，学生可选择的课程案例如图2所示。^[4]

表 1  SDP硕士项目不同研究方向核心课程（学分）

表 2  ECE核心课程与学分要求

图 2  SDP硕士项目可选课程示例

无论作为一项技术抑或一个行业，集成电路都涉及多领域的高度交叉融合。从技术层面看，集成电路技术的发展需要数学、物理学、量子力学等学科结合的交叉学科，以及信号处理、自动控制等多领域知识的非线性集聚。作为技术密集型产业，集成电路的发展离不开半导体材料与微电子学等多学科知识与技术的支撑。反映到课程这一人才培养的关键环节，课程体系既要让学生掌握完整的学科知识，又要保持一定的前瞻性、灵活性与实践性，为学生应对复杂工程问题提供必要的知识储备与实践经验。可见，SDP硕士项目构建了多学科领域非线性交互式课程体系。在注重数理等专业基础与多学科领域知识交叉融合的同时，从理论视角与工程实践两方面，对集成电路技术领域的深度与广度进行聚合延伸与多维拓展，增强了知识链与产业链的衔接，在有效提升人才培养适用性与应用性的同时，满足了集成电路产业发展对各环节不同类型人才的需求。

（二）知识生产参与者的链式裂变：全链条聚合型师资队伍

跨学科合作需要在研究者、学科、理论和方法之间关系形成的制度环境中发生。^[16] 作为改革具体实施者，全链条聚合型的师资队伍是集成电路领域人才培养的有力支撑。为突破学科界限与专业壁垒，SDP硕士项目配备来自六个不同院系的教师，组成了七个不同研究领域共计53人的师资队伍，共同开展教学与研究工作。^[17]

师资队伍构成如图3所示。集成电路和系统设计及仿真与模拟，对应芯片设计阶段；新器件、模拟与制造及微电子机械系统与光电子技术，对应由半导体材料与器件所支撑的芯片制造阶段，其中微电子机械系统与光电子技术属于芯片制造关键核心技术；可持续性与生命周期分析以及传感器和热成像研究，是对芯片的性能与功能进行验证，对应大规模生产前的测试环节；异构集成与先进封装，对应芯片封装阶段，重点研究如何集成不同材质的芯片。可见，不同院系优势力量的整合，为SDP硕士项目提供了覆盖半导体材料与器件到电路、系统和架构全方位、跨学科多领域的师资队伍。不同研究领域学者构建的全链条链接，使得个体研究者形成研究社群，以教师为媒介而维持的自持的裂变持续进行，从而推动整个研究社群不断产生动能增量。知识生产参与者的链式裂变过程，为学生学习和研究提供了丰富且持续的跨学科资源与合作机会，使其接触到集成电路领域广泛、多元的基础知识和前沿信息，为复杂工程问题解决能力的培养提供了坚实支撑。

图 3  SDP硕士项目师资队伍构成

（三）知识生产参与主体的互利共生：多主体合作网络关系

普渡大学凭借其高等工程教育领域的卓越声誉，与政府、产业界保持着长期合作关系，紧密协调的合作网络为参与SDP硕士项目的学生提供了众多领域的研究机会与真实项目。目前有六个直接面向SDP硕士项目的研究中心：设计领域的“可靠性微电子器件生态系统中心（Center for Secure Microelectronics Ecosystems，CSME）”与“脑启发计算中心（Center for Brain-inspired Computing，C-BRIC）”及“认知计算研究所（Institute for Cognitive Computing，ICC）”；制造领域的“逻辑元件、存储器和互连应用的新材料研发中心（NEW materials for LogIc， Memory and InTerconnectS，NEW LIMITS）”与“冷却技术研究中心（Cooling Technologies Research Center，CTRC）”；聚焦封装工艺研究的“异构集成封装研究中心（Center for Heterogeneous Integration Research on Packaging，CHIRP）”。^[4]

（1）CSME。集成电路设计是芯片的“灵魂”，决定其功能实现与性能优劣。CSME是台积电（TSMC）与新思科技（Synopsys）共同出资，并在国防部资助的微电子领域就业促进计划（Scalable Asymmetric Lifecycle Engagement Microelectronics Workforce Development program，SCALE）支持下建立的研究中心，也是普渡大学首次在全球范围内建立的政产学合作关系。^[18] SCALE计划的目标是服务美国国家安全需求，所以CSME的研究直接面向国防部等政府机构对零信任安全技术的需求，围绕“零信任安全架构”开展研究。同时，SCALE计划也支持CSME为其参与的研究生提供直接与政府和企业相关的研究与实践项目，满足设计领域对具备可靠性微电子技能工程人才的迫切需求。

（2）C-BRIC与ICC。CSME的研究注重芯片安全功能的实现，突出服务国家战略需求。C-BRIC与ICC主要开展算法研究，聚焦芯片性能提升，服务主体更加多元。C-BRIC是SRC资助的为期5年的研究计划^[19]，致力于将新一代神经启发式算法和理论、神经形态计算架构和分布式智能的最新研究成果转化为企业的技术优势。凭借SRC与政府、企业及相关高校的广泛联系，C-BRIC为学生提供真实研究项目以增强实践经验，从而为半导体行业输送训练有素的高层次人才。ICC汇聚了不同学科背景的专家学者，通过合作研究推动脑启发计算模型、算法、架构及硬件结构的跨层创新，从而促进人工智能芯片等硬件领域的突破。^[20] 算力的改变需要芯片等硬件在算法与架构等某些特定功能上实现突破，以更好控制复杂系统和互连过程。因此，依托认知计算领域的优势，ICC的教师带领学生与行业开展合作，专注于研究硬件协同设计方法的独特算法，旨在解决系统架构、电路和设备等不同层面的现实问题。

（3）NEW LIMITS中心。该中心开展的研究旨在回应SRC提出的纳米电子计算研究计划（nanoelectronic COmputing REsearch program，nCORE），进而支持国家战略计算计划（National Strategic Computing Initiative，NSCI）的实施。基于此，中心主要任务是开展应用于逻辑元件、存储器和互连应用方面新材料的整合、集成与评估，研发超越传统CMOS性能的制造技术，从而实现集成电路新型的计算和存储范式^[21]，具体分为五个关联研究领域（见图4）。研究1重点开展新型计算和存储范式以及运行理论方面的研究，属于总体研究任务，其他研究旨在为其提供支撑。研究2围绕基础材料、器件和互联开展研究，为总体研究任务的达成提供关键技术支持。研究3围绕先进制造和纳米制造探索先进制造工艺，为新型计算与存储范式的载体器件与系统的顺利制造破除障碍。研究4聚焦测试平台与检测标准，对器件性能至系统性能进行全方位检测。研究5进行计算模拟，对新器件、新材料、新系统进行模拟与仿真，验证与支撑其他研究。以上各部分环环相扣，在螺旋上升过程中，满足集成电路制造领域前沿理论与先进技术的需求。

图 4  NEW LIMITS中心各研究领域关系

注：根据https：//www.src.org/program/ncore/about/mission/?_ga=2.111686788.121478239.1665134608-1412303730.1650436057#V1整理。

（4）CTRC。随着社会发展对电子产品集成度要求日益提升，不断缩小的半导体器件在拥有便携优势的同时，也由于功能扩展产生更高的热通量，为冷却技术带来了新的挑战。^[22] CTRC聚焦于微型器件冷却技术研究，旨在提高产品运行功率的同时降低冷却能耗。^[23] CTRC是“分等级”的政产学联合中心，其组织成员包括NSF及Intel等众多企业。“分等级”强调企业的主体地位，CTRC主要在企业资助下从事面向产业界的基础研究，直接对合作企业进行成果转让，其研究处于既是技术研发活动又是科学研究活动的“新巴斯德象限”。强大的产业合作关系使得学生能参与企业委托的研究项目并及时接受行业前沿实践训练。

（5）CHIRP。封装是把裸片装配为芯片产品的过程，封装技术对芯片产品的功能与性能有重要影响。随着“后摩尔”时代到来，芯片性能提升更依赖新材料、新工艺、新机理的突破^[24]，打破芯片制造工艺迫近极限的瓶颈，需要封装技术实现突破从而推动芯片升级。异构集成（Heterogeneous Integration）是将多个不同工艺节点单独制造的芯片集成到一个封装，在此过程中可对采用不同工艺、不同功能、不同制造商制造的组件进行封装，降低成本的同时实现功能增强与性能提升。CHIRP基于普渡大学与宾汉姆顿大学（State University of New York at Binghamton）长期在封装领域的研究优势，重点围绕异构集成封装技术进行颠覆性研发。^[25] 此外，CHIRP与Intel等国际企业建立了长期紧密合作关系，企业为学生配备导师并提供资金支持，通过研究任务与实践项目共同培养能设计和构建异构集成系统的未来工程师。

综上，SDP硕士项目与政府、企业、相关高校围绕国家战略、产业需求、学科发展等不同目标，构建了“分等级”多主体合作网络，不同研究中心的特点如表3所示。多样化的研究中心通过不同形式的科研与实践，将国家战略导向、企业发展需求、理论突破阻碍、技术创新瓶颈有机结合的复杂工程问题转化为高层次工程创新人才的培养资源，并反哺于多元主体的互利共生发展。在满足不同主体需求的同时，最大程度促进学生成功职业发展，体现出多元知识生产模式并存下研究生教育发展的目标定向。

表 3  SDP硕士项目研究中心及其特点

（一）总结

SDP硕士项目2022年创建，尚未有毕业生数据证明该项目成效，但此项目秉持“推动半导体领域人才增长与产业创新”使命愿景，寄托了美国政府振兴并引领芯片技术创新的价值追求。同时，依托普渡大学高等工程教育领域资源优势，项目建立伊始就吸引了大量领军企业的目光，给予了高度评价与实际支持，未来发展可期。

从该项目培养实践看，普渡大学叠加不同院系优势资源搭建了合理衔接的课程体系，实现了网络时代学习空间由传统物理空间扩展到虚拟与现实交互的环境，为高层次工程科技人才培养提供了多维聚合的知识结构与有效的能力训练。具体来看，知识层面注重基础理论与非线性跨学科知识习得；能力层面强调以多领域交叉复杂问题解决为导向；素养层面突出综合素质与职业发展。多学科非线性交互式课程体系丰富了学生的知识储备并拓宽了研究视野，使学生对工程问题的理解超越工程领域的范畴，能更好解决关键核心技术研发涉及的复杂难题。其次，不同学科背景、身份多样的专家学者，通过协作知识生产与共享，为学生提供交叉、前沿知识并开展学术指导与技术支持，在共同目标指引下协作开展研究以推动学科和产业同频共振。究其机理，在于制度层面采取了“联合聘任制”与“专职聘任制”相结合方式整合不同学科领域与行业企业的师资力量；操作层面通过全链条聚合机制实现研究社群的链式裂变与动能叠加。再次，由于战略性新兴产业高层次工程科技人才的培养“纠缠”着来自高校、企业、政府、社会组织等多元主体的交叠，不同主体知识生产功能显现出高度集成。因此，SDP硕士项目在多主体协同培养过程中，拓展了高校与企业知识生产的边界。最突出特点在于，高校完全融入国家创新体系建设，将雄厚的科研创新能力与企业的应用开发紧密结合，即由研究型大学支撑的企业前沿技术创新能力及高校与企业、政府等多元主体相互支撑，从而具备的强大基础研究能力和尖端技术研发能力。

（二）讨论

战略性新兴产业发展存在着大量技术科学和多学科领域理论知识的交叉，知识的高度关联使得知识生产组织结构出现交融、集成等特征。SDP硕士项目的知识生产组织结构，从传统知识生产模式Ⅰ的线性分割转变为多元知识生产模式并存所呈现的集成融合状态，凸显出知识生产过程中组织边界的融合性。研究指出美国研究型大学主要通过“创建独立建制的跨学科研究机构、学院内部整合、跨学院协同、研究生院统筹组织”等路径开展研究生培养。^[26] SDP硕士项目即通过“学院内部整合”这一路径开展人才培养。普渡大学工学院下设电子与计算机工程系等十三个系部，学科集群式网络系统重塑了单一学科内部知识生产组织架构，为多主体协同教学与研究提供了组织载体。知识生产组织结构的转变也促进了知识生产参与主体的多元性与协同性，驱动高校、企业、政府、社会组织等多元主体协同开展人才培养。因此，多元知识生产模式并存所带来的学科交叉、复杂问题导向的知识生产方式，将愈发淡化大学、企业的研究边界。战略性新兴产业蕴含的学科交叉融合、多元主体协同、动态创新链接等特征及其发展需求，也强调产学双方知识生产活动的交融。在此要求下，作为国家创新系统知识生产主体的大学，既要坚守“为了知识”的认识论哲学，也要适度发展“基于科学的技术创新”的知识生产功能。同样，企业也要通过将工程技术经验知识上升到理论形态，适时介入基础研究。因此，在政府、社会组织等外部环境驱动下，产学双方要基于资源互补与知识生产功能的渗透构建开放式创新网络，通过适应资源的异质性与知识生产功能的交互性开展自主创新与集成创新，不断拓展合作的边界与深度，打造“政府—产业—大学—社会组织—虚拟网络”知识生产协同体（见图5），构建产学一体化互利共生系统，促使高等教育与产业集群的本体价值和社会价值全面实现。

图 5  “政府—产业—大学—社会组织—虚拟网络”知识生产协同体