《我的专业能干啥》之微电子科学与工程
大学专业学习内容与社会上的工作脱轨是一个重要的问题。这种脱节使得大学毕业生在就业市场上面临着困难和竞争压力。
学习是人一辈子的修行，而学什么，将来能干什么，才是每个人时刻思索的问题。
一、微电子科学与工程是什么
微电子科学与工程主要研究各种微电子器件和集成电路的基本原理、设计方法和基本技能等，进行半导体器件、功能电子材料、集成电路的设计制造和微机电系统的设计开发等。例如：电视机、音响、计算机等所使用的集成电路的设计，太阳能电池、探测器内的半导体器件的研发制造，血压计、汽车安全气囊防护系统等所使用的微机电系统的设计开发。
关键词：微电子 物理 集成电路 传感器
研究方向：微电子学与固体电子学、凝聚态物理、微电子学与固体电子学、材料工程
二、培养目标
本专业培养具备微电子科学与工程专业扎实的自然科学基础、系统的专业知识和较强的实验技能与工程实践能力，能在微电子科学技术领域从事研究、开发、制造和管理等方面工作的专门人才。
三、培养要求
1、 具有较扎实的自然科学基本理论基础；
2、 具备微电子材料、微电子器件、大规模集成电路、集成系统、计算机辅助设计、封装技术和测试技术等方面的理论基础和实验技能；
3、 了解本专业领域的科技发展动态及产业发展状况，熟悉国家电子信息产业政策及国内外有关知识产权的法律法规；
4、 掌握文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；
5、 具有归纳、整理和分析实验结果以及撰写论文、报告和参与学术交流的能力。
四、学习内容
该专业主要有如下课程：高等数学、大学物理及实验、电路分析基础及实验、模拟电路及实验、数学物理方法、数字电路及实验、信号与系统及实验、半导体物理及实验、固体电子学、微电子器件、电子设计自动化等。
以下是微电子科学与工程主要课程的重要知识点以及需要深入掌握的内容：
高等数学
a、 极限与连续性
b、 一元函数的微分与积分
c、 多元函数的偏导数与全微分
d、 重积分与曲线积分
e、 微分方程
大学物理及实验
a、 物理学的基本概念与物理量的测量
b、 力学、电磁学、光学、热学等基础知识
c、 实验方法与数据处理
电路分析基础及实验
a、 基本电路元件和电路定律
b、 电路的分析与计算
c、 交流电路分析
d、 电路实验技术与仪器使用
模拟电路及实验
a、 模拟电路基本概念与分析方法
b、 放大电路设计与频率响应
c、 反馈与稳定性分析
d、 模拟电路实验技术与仪器使用
数学物理方法
a、 向量与矩阵代数
b、 傅里叶级数与傅里叶变换
c、 常微分方程与偏微分方程
d、 能量方法与变分法
数字电路及实验
a、 数字逻辑门与布尔代数
b、 组合逻辑电路设计
c、 时序逻辑电路设计与时钟系统
d、 数字电路实验技术与仪器使用
信号与系统及实验
a、 信号与系统的基本概念
b、 线性时不变系统与卷积
c、 离散时间信号与离散时间系统
d、 信号与系统实验技术与仪器使用
半导体物理及实验
a、 半导体材料的基本特性
b、 PN结与二极管
c、 理想与非理想的晶体管
d、 半导体器件的工作原理与特性
e、 半导体物理实验技术
固体电子学
a、 晶体与晶体缺陷
b、 能带理论与导电机制
c、 半导体的载流子输运
d、 半导体器件物理模型与参数提取
e、 固体电子学设备与技术
微电子器件
a、 半导体器件的制备工艺与工艺流程
b、 NMOS、PMOS、CMOS器件工作原理与特性
c、 半导体器件参数提取与模型分析
d、 微电子器件的性能与可靠性
电子设计自动化
a、 电子设计流程与思想
b、 电子设计软件的使用与仿真
c、 电路布局与封装设计
d、 电子设计自动化工具的应用技巧
五、就业方向
电子类企业：电子技术、产品研发、各种电子和光电子材料的研发、电子和光电子器件的设计制造、IC设计、技术开发。
微电子科学与工程专业毕业后，可以胜任以下岗位：
微电子工程师： 设计和开发微电子器件和电路的工程师。
知识和技能要求：
a、 微电子器件的理论知识和设计原理
b、 电路设计与分析的能力
c、 了解半导体材料特性与工艺
d、 熟悉EDA（电子设计自动化）软件的使用
e、 信号与系统分析的能力
f、 高频电路设计与模拟仿真技能
芯片设计工程师： 负责芯片电路设计与布局布线。
知识和技能要求：
a、 数字电路与系统设计原理
b、 芯片设计流程与工具的使用
c、 熟悉硬件描述语言（如Verilog或VHDL）
d、 芯片布局与线路仿真技术
e、 物理设计规则与工艺约束的理解
f、 电磁兼容性（EMC）和功耗优化技术
半导体工艺工程师： 负责半导体器件的制备工艺和工艺流程设计。
知识和技能要求：
a、 半导体材料和晶体生长知识
b、 半导体器件的制造工艺和工艺流程
c、 薄膜沉积、光刻、离子注入等工艺步骤的操作与优化
d、 过程统计分析与质量控制
e、 设备操作与维护技术
系统集成工程师： 负责将各种单一功能组件整合为完整的微电子系统。
知识和技能要求：
a、 电子系统设计与集成的原理
b、 不同硬件和软件之间的接口设计与调试
c、 系统级仿真与测试技术
d、 熟悉FPGA（现场可编程逻辑门阵列）和SOC（片上系统）设计
e、 了解嵌入式系统和通信协议
这些岗位需要深厚的微电子学科基础知识，如半导体物理、电路与系统设计等。此外，良好的团队合作能力、问题解决能力、沟通能力以及持续学习和创新的精神也是成功担任这些岗位的关键要素。
在微电子科学与工程专业的岗位工作中，需要熟练使用以下软件：
a、 EDA软件（电子设计自动化软件）- 用于电路设计、仿真和布局布线。主要作用：设计电路、模拟电路性能和验证电路功能的EDA工具。例如Cadence、Synopsys、Mentor Graphics和Altium Designer等。
b、 芯片设计工具- 用于芯片级电路设计和布局布线。主要作用：用于数字、模拟和混合信号IC设计的工具。例如Cadence Virtuoso、Synopsys Design Compiler、Cadence Encounter等。
c、 物理设计工具- 用于芯片布局和线路布线。主要作用：实现芯片电路的布局布线和物理设计。例如Cadence Innovus、Synopsys ICC、Mentor Graphics Calibre等。
d、 仿真软件- 用于模拟电路和系统的性能分析和验证。主要作用：进行数字、模拟和混合信号电路的仿真和验证。例如SPICE仿真器（如Cadence Spectre和Synopsys HSPICE）、SystemVerilog仿真器（如Cadence Xcelium和Synopsys VCS）等。
e、 编程工具- 用于软件开发、芯片编程和嵌入式系统开发。主要作用：用于软件开发、嵌入式系统编程和调试。例如C/C++编译器、Python、MATLAB、微控制器开发环境（如Arduino IDE和Keil）等。
f、 CAD软件- 用于电路、器件和系统设计的计算机辅助设计工具。主要作用：用于电路和系统的绘图、图形建模和设计验证。例如Autodesk AutoCAD、SolidWorks、Altium Designer、KiCad等。
g、 数据分析软件- 用于处理和分析实验数据。主要作用：对实验数据进行处理、分析和可视化。例如MATLAB、Python的NumPy和SciPy库、R等。
请注意，具体使用哪些软件工具和其作用可能因岗位、公司和项目而有所不同。因此，在实际工作中，根据具体的需求和要求，可能需要学习和使用其他特定的软件工具。
芯片设计软件 EDA也在卡国内“芯片制造”的脖子
电子设计自动化软件（简称EDA）是芯片IC设计中必不可少的工具，是集成电路设计中最上游，壁垒最高的部分，也是最具有创新性的重要环节。EDA涵盖了集成电路设计、验证和仿真等所有流程，芯片的用途、规格、特性、制成工艺几乎全都在这个阶段完成。利用EDA工具可设计得到极其复杂的电路图，从而制造出功能强大的芯片。中国在芯片领域想要达到自主可控，那么一定程度上就得实现EDA设计软件的国产化。若国内没有自主研制的先进EDA设计软件，一旦因为各国之间的某些战略性因素导致EDA软件授权被中断，中国将面临着无先进EDA可用的风险。
EDA市场，国际三巨头垄断局面难以撼动
根据ESD Alliance数据显示，2019年，全球EDA市场规模首次突破百亿美元，相对于几千亿美元的芯片市场来说，根本不值得一提。但赛迪顾问吕芃浩曾表示，EDA在芯片设计中的地位十分重要，芯片设计环节精细且复杂，对EDA软件依赖性极强。因此，EDA市场规模虽小，但也足以影响到整个芯片产业。
在目前国际市场上，EDA供应商高度集中，主要被Synopsys、Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics垄断，这三家美国公司在全球市场份额超过70%，在中国超过90%，国产EDA占比不足10%,国内虽然也拥有设计芯片的能力，但是芯片设计所用到的EDA软件基本由Cadence、Synopsys、Mentor三家美国公司提供。
（数据来源：5G产业时代数据中心（TD）
在摩尔定律下，芯片的复杂程度和集成度不断提升，芯片设计对EDA工具要求也不断提高。赛迪顾问吕芃浩表示，近30年的晶体管从原来四千多一直发展到现在几十亿，密度增长100万倍，因此必须使用EDA工具来提高效率，同时集成电路的成本问题日益突出，如今14nm和16nm芯片投资达2亿美元，7nm芯片要达到6亿美元，前提是依赖EDA设计软件，如果离开EDA设计软件，费用会达到77亿美元，相差数倍。可见，EDA设计软件对芯片设计的效率和成本都起着至关重要的作用，EDA行业高度垄断也导致国内企业长期依赖进口，从而形成如今国内IC设计行业越来越离不开国际EDA三巨头的尴尬场面。
国产EDA企业面临三大发展困境
相比国外，国内目前的EDA软件公司数量和规模都十分稀少，主要有华大九天、芯愿景、国微集团、芯禾科技、博达微电子、概伦电子等。华大九天的前身是华大集团EDA部门，其承载了熊猫系统的技术，是目前国内规模最大、技术实力最强的EDA企业，芯愿景拥有EDA软件授权、IC分析服务、IC设计服务三大板块业务。但与国际三巨头相比，国内EDA企业的短板就变得格外明显。
（内容来源：网络）
目前，全球EDA芯片设计份额美国占比最高，亚太地区增速最快，国内EDA企业面临三大发展困境。
国内EDA人才供给严重不足 ：根据国内多个权威媒体在2020年的报道，全球EDA从业人员约4万人左右，但国内所有公司加在一起从事EDA工作的人员在1500人左右，真正参与研发的可能更少，与国外大型EDA企业公司拥有上万人相比，差距显而易见。
产业生态不足，应用环境恶劣 ：国内很多EDA企业长期依赖并使用国外的软件，因为相比国内，国外软件工艺信息充足完善，国内EDA尚未出现可观表现，从而导致国内企业不敢轻易尝试国产软件，这直接导致国产软件没有下游用户的反馈，研发人员无法根据用户需求进行产品迭代，一直闭门造车永远不可能生产出好产品，另外，很多中小企业对版权、知识产权意识较差，长期使用盗版，这对国内EDA的迭代没有好处。
EDA企业与先进工艺晶圆厂合作比较弱 ：国际三巨头与世界龙头晶圆厂具备长期合作背景，同时提供的EDA软件工艺信息充足完善，随着芯片工艺要求逐步提升的同时，对于缺乏优势的国产EDA企业难以满足晶圆厂的制造需求，从而使得国内EDA企业和国际先进晶圆厂合作较弱，一定程度上导致国内EDA企业失去国际竞争能力。
总结与展望
综上，国产EDA技术发展缓慢在于EDA企业的发展主要依赖于技术积累和长期的资金投入，技术门槛高，成本弹性大，下游用户反馈少，同时由于相关专业人员数量有限，绝大部分人才就职于外资企业，国产企业人才吸引力不足，产业整体驱动力不强，缺乏创新条件，在国际三巨头的垄断下，国内EDA企业与代工厂缺乏长久密切的沟通与合作，导致国内企业进入全球芯片供应链缺乏优势。此外，国内EDA研发效果尚未出现可观表现，国内融资渠道以及退出渠道狭窄，难以有效吸引社会资金进入，从而形成如今国内IC设计行业越来越依赖国际EDA三巨头的局面。
2020年9月份，国微集团联席董事长兼总裁帅红宇发表以《国微EDA之路》为主题的演讲中提到，EDA发展的必要条件是行业必须抱团发展，采用市场化运作的手段，多头并进，才能建立国内EDA产业平台。同时业内人士认为，就算光刻机突破了，EDA如果不能突破的话，依旧会出现芯片制造的难题。国外EDA公司长期坐拥稳定的市场占有率，且技术也在不断地更新和迭代。国产EDA公司在追赶的道路上，需要付出更多的人力、物力和财力，并且这是一场持久战，需要保证长期的研发投入和更多的技术积累，以及建立相对完善的人才培养机制。
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