电子科学与技术学科的发展
电子科学与技术学科(以下简称“电科学科”)由过去的电真空、半导体、光电子、专业和原杭州大学电子工程系改革发展而来。学科研究覆盖所属的全部4个二级学科(物理电子学、电路与系统、微电子学与固体电子学、电磁场与微波技术),并设置5个主要学科方向:电磁波理论与技术、微纳电子器件与工艺、集成电路设计、信息光子技术、电子与信息处理系统。学科以造就卓越人才、贡献创新成果为使命,瞄准国家重大需求和国际学术前沿,优化学科布局,促进学科交叉,努力成为在电子信息领域具有重大国际影响力的知识创新和高层次人才培养基地。
电科学科具有60年的办学历史,拥有一支研究方向交叉融合、结构合理、精英荟萃的学术队伍,包括国家千人计划5人,IEEE Fellow2人,长江学者特聘教授和国家杰青共2人,优青、青年拔尖人才和青年千人计划共6人。电科学科致力于将高水平学术研究与国家重大需求相结合,前沿技术研究与国际化人才培养相结合。近4年,学科承担国家科技重大专项和科技支撑计划6项、国家“973计划”和“863计划”24项、国家自然科学基金88项,累计收到科研经费3亿多元;发表大量高水平学术论文,其中包括Science 2篇(与麻省理工学院合作)、Nature Communications 2篇、PNAS 2篇、Phys. Rev. Lett. 2篇、IEEE期刊132篇等;获国家教学成果二等奖1项、国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项、省部级科研奖11项。
一、人才培养
电科学科秉承“以人为本、整合培养、求是创新、追求卓越”的教育理念,形成学位层次与类型完整的电子科学与技术人才培养体系,坚持培养视野宽广、理论基础扎实、专业知识完备、实践能力强的创新型人才。
电科学科是首批国家集成电路人才培养基地和首批示范性微电子学院建设单位之一。由本学科严晓浪教授牵头,联合清华大学、北京大学等9所高校开展的“面向国家急需,建设我国集成电路紧缺人才培养体系的十年探索与实践”,于2014年获国家教学成果二等奖。学科还注重将重大研究成果转化为教学资源,如发起面向学生的微型手机卫星科研项目,已吸引数百名学生自行组织队伍,研制自己的微小卫星,并参与由欧盟资助的“QB50”项目。学科通过与麻省理工学院、剑桥大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)等国际顶尖大学的密切合作,让研究生在国际一流学术环境中成长。四年间,本学科研究生赴境外学习交流的达到152人次,其中学习交流3个月以上的为48人。本学科李尔平教授出任ZJU-UIUC联合学院首任院长,与UIUC电子与计算机工程系合作开设EE和ECE专业,双方联合招收本科生和研究生。
二、学科影响力
电科学科在电磁散射与隐身、电磁超材料理论及应用的研究方面具有重要国际影响,研究成果多次被Nature News、MIT Technology Review等国际著名科技杂志报道。学科内陈红胜团队在电磁波隐身研究领域取得了突破性进展,其关于逆切伦科夫辐射效应的论文被列入麻省理工学院物理系课程参考书目;提出的可见光频带大尺度新型隐身器件设计新方法,被隐身衣领域的奠基者、美国科学院院士Pendry教授评价为隐身领域“一个真正的进步”。
本学科骆季奎团队在柔性电子领域的系列研究成果处于国际前列,率先在柔性衬底上制备FBAR、SAW等压电薄膜传感器和微流控器件;研制出具有痛觉和压觉功能的纳米碳管柔性触觉传感器;在可降解电子技术上取得突破,研发出生物兼容的蛋清忆阻器,被EE Times、Science Daily、phys.org等30多家媒体广泛报道。
学科在三维微纳集成封装电磁研究领域取得创新性成果并被华为等公司采用。李尔平因其在电磁兼容、高速电子和三维集成电路研究领域的杰出贡献,于2015年荣获IEEE电磁兼容技术领域最高奖——Richard Stoddard奖,并担任本学科主办的2016年IEEE亚太电磁兼容和信号完整性国际会议主席。与此同时,尹文言和李尔平担任IEEE电磁兼容汇刊专刊共同主编。
严晓浪团队成功研制了高性能CK-CORE嵌入式CPU系列核及相应的SoC设计开发平台,还成功研制了高性能低功耗32位自主指令集。截至2015年,以知识产权授权许可方式采用该嵌入式CPU核的SoC芯片年产量过亿,已成为我国自主金融卡、自主打印机等关键芯片的主选核心,创造了我国32位嵌入式CPU技术进步和产业化应用的最佳成绩,为国内多家集成电路企业实现创新创业奠定了基础,其核心技术还被我国政府和军队的重要部门采用。
金仲和团队综合运用微电子、微系统技术研制了一批卫星微小型化部件,并于2010年成功发射了2颗ZDPS-1A卫星,已连续在轨正常工作5年多。这是我国首批公斤级微小卫星,也是国际上功能最为齐全的皮卫星之一。2015年9月20日,金仲和团队研制的2颗第二代微小卫星“皮星二号”准确入轨。这项工作开创了我国皮卫星研究与应用领域,团队因此获全国总工会2013年度“全国工人先锋号”荣誉称号。
郁发新团队在多个国家重大专项中承担了多个波段的微型、高性能、高集成度微波毫米波射频T/R套片的研制任务,实现了微波毫米波射频芯片核心技术的自主可控,多款集成电路进入国防型号装备。
杨建义团队利用实现偏振技术的微纳光电子器件,解决了现有遥感技术中的瓶颈问题,在地物偏振遥感、天空偏振模式矢量场观测、大气偏振中性点等实际测量以及理论研究中起到了重要的推动作用,获2015年度国家技术发明二等奖。
电科学科的陈红胜和李春光入选Elsevier中国高被引学者名单。李尔平、尹文言、王曦、夏永祥、杜阳等分别担任IEEE Trans. Electromagn. Compat.、IEEE Trans. Electron Devices、IEEE Trans. Circuits Syst. II、IEEE Geosci. Remote Sens. Lett.等期刊的副主编;陈红胜担任Journal of Optics的专题主编。
三、学科贡献力
电科学科以“国家急需、世界一流”为导向,通过解决行业需求、推进国防建设、促进地方经济、举办国际会议、常态化全国性师资培训等措施开展社会服务,取得了积极的成效。
面向国家需求,打破技术封锁,促进军民融合。电科学科研制的嵌入式CPU系列核已成为我国自主金融卡、自主打印机和打印耗材等关键芯片的主选核心,年产量过亿,创造了我国32位嵌入式CPU技术进步和产业化应用的最佳成绩;多款射频集成电路打破了国外技术封锁;作为核心成员参与投资总额达4.1亿元的浙江省微波毫米波射频集成电路专项建设;研发的2颗“皮星二号”卫星准确入轨;研制的世界最小USB应答机被国防科大、中科院等多家单位的微纳卫星采用;开发的电磁及多物理仿真平台,已被中国舰船研究设计中心、中国工程物理研究院等10余家单位采用。
面向行业需求,突破关键技术,引领技术革新。学科攻克了电子元件绿色制造方面的几十项关键技术和工艺,将绿色金属化生产线推广到国内外37家电子元器件企业;在香港创新科技署资助下研制成功的“多光谱成像颜色测量系统”获2013年瑞士日内瓦国际发明展览会金奖,并开始在纺织行业推广应用;研发的电路板噪声源检测技术用于最新型号华为手机的电磁兼容分析;研制的EEPROM工艺全芯片ESD技术广泛用于二代身份证、SIM卡等产品,芯片总用量超过30亿颗;提出多通道共核LSCR和通用CMOS工艺的TVS阵列芯片专利技术,填补了国内相关产品空白并实现量产。
面向世界一流,引领学术发展,培训高校师资。学科主办每年的PIERS国际会议,承办亚太电磁兼容会议等国际会议,显著提高了学科的国际影响力;与MIT等国际名校合作开展研究,在Science、Nature子刊、PNAS等顶级期刊发表系列高水平学术论文;作为国家集成电路师资国际培训中心的依托单位,以“请进来”的方式邀请国外专家培训国内高校师资,以“派出去”的方式每年选拔20余名高校教师赴比利时欧洲校际微电子中心进行3个月的培训。
四、学科代表性成就
(一)深化集成电路产学研协同创新,有力支撑电子信息产业高端发展
集成电路是电子信息产业的核心。本学科严晓浪团队针对我国集成电路产业发展中的关键难题,在CPU核的片上系统(SoC)设计技术、纳米尺度集成电路可制造性设计技术、信息安全系统芯片技术、模拟和混合信号集成电路设计等方面取得了领先的科研成果。多年来,电科学科获得国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项,为集成电路的产学研协同创新发展打下了坚实的基础。2012年以来,学科在教科紧密结合、校企深度协同培养人才的同时,大力推进了面向国家迫切需求的科技成果产业化。
学科团队在嵌入式CPU方向形成了高性能低功耗32位处理器核及相应的SoC设计开发平台。CK-CORE嵌入式处理器核心被国内外近百家集成电路设计企业采用,成为我国自主金融卡、自主打印机和打印耗材等关键芯片的主选核心。基于CK-CORE的SoC设计开发平台,已成为我国多家企事业单位在机要信息安全、音视频广播、无线通信、工业控制等领域进行自主设计的基础,形成了完整的自主创新链。基于CK-CORE的集成电路芯片累计规模产量已达数亿,年产量过亿。杭州国芯将该CPU硬核应用于数字音视频系统芯片,大幅促进了其技术进步和产业化推广,公司成功上市新三板(证券代码:836173)。
在纳米尺度集成电路可制造性设计技术方向,电科学科完成成品率验证和测试芯片设计等多项关键基础技术研发。经杭州广立微电子等数家国内外企业深入产业化,这些技术已用于世界范围内集成电路行业的产品成品率分析和提升之中。学科团队所研发的集成电路成品率测试芯片EDA设计软件已在我国主要的集成电路生产企业(中芯国际、华虹宏力、华力、华润上华等)成熟商用多年,为我国先进集成电路工艺近年来的快速进步(如28nm技术迅速量产)做出了重要的贡献。同时,该EDA设计软件配套自主研发的成品率测试机、成品率分析工具和专用测试模块IP等,已被2015年全球十大集成电路制造企业中的六家所采用,在7nm及以下制造工艺的研发中发挥了关键作用。
学科团队通过深化产学研协同发展,发挥了学科服务于社会技术进步的引领作用,有效地促进了国家集成电路战略性产业的跨越式发展。
(二)致力于射频芯片与皮纳卫星系列产品研制,促进军民融合,服务经济发展
在军民融合战略思想指导下,电科学科通过及早布局与重点支持,在微波毫米波射频集成电路、皮纳卫星产品研制方面取得重大突破,服务国防建设和地方经济。
学科射频芯片团队连续攻克高分、二代导航等多项国家重大专项的核心技术,多款集成电路进入国防型号装备。团队在2015年作为核心成员参与浙江省微波毫米波射频集成电路专项建设(计划投资额度4.1亿元),该项目将结合产学研及军民融合优势,构建微波毫米波集成电路产业联盟,整合射频集成电路全产业链,为地方经济服务。
学科微小卫星团队继2010年成功发射我国首颗皮卫星后,所研发的“皮星二号”卫星于2015年准确入轨。该卫星主要用于在轨验证微机系统、微型轻质展开机构、皮纳卫星组网等技术,是国内首例由高校研制的应用型皮卫星。同时,团队还研制了一批微小型化卫星部组件,初步建立了皮卫星产品体系,开创了我国皮卫星研究与应用领域,获得2013年度浙江省科学技术一等奖。团队研发的世界最小的USB应答机,2012年以来已被国防科大、中科院等多型微纳卫星采用。目前团队已交付应答机产品14套,其中6套已随4颗卫星发射入轨,所有应答机功能和性能指标均满足要求,圆满完成全部任务;该应答机还被6颗在研的微纳卫星采用,用以降低整星的功耗和重量。
学科为国防建设与经济发展服务的成果得到了权威认可。多名院士评价:学科团队打破了高端微波毫米波射频领域国外对我国的技术和产品封锁,大大加快了我国军队装备迈入固态有源时代的进程;学科团队在皮纳卫星整体研究成果方面具有国际先进水平,在星载USB应答机等方面达到国际领先水平。
(三)引领电子元件绿色金属化技术,规模化推广生产流水线装备,贡献绿色制造
我国是电子元件的制造与应用大国。作为消费电子、汽车电子、自动化设备等产品的基础零部件,电子元件需要通过金属化工艺在功能材料表面制备导电电极。然而,我国目前金属化技术仍普遍沿用传统的电镀、化学镀、丝印烧结等落后工艺,污染严重,能耗高,且安全隐患大。《中国制造2025》已明确将“绿色制造”作为重点战略方向,电子产品绿色金属化势在必行。
学科团队在基础材料、界面物理、电学特性、长期使用可靠性等多方面进行了系统深入的研究,连续攻克了多层膜和自动化生产等几十项关键技术,成功研发出具有国际领先水平的电子元件磁控溅射绿色金属化技术及大规模生产流水线装备。该技术在整个生产过程中杜绝了污染,不但大幅降低了生产成本(降幅达60%)与能耗(降幅达40%),而且明显提高了产品长期性能。该技术的应用领域涵盖PZT压电陶瓷、PTC、NTC热敏电阻、ZnO压敏电阻、陶瓷电容、生物传感、石英晶振、铁氧体电感、贴片器件等绝大部分电子产品。多年来,其相关技术获得15项国家发明专利,9项省部及以上科技进步奖,并已成为业界公认的事实技术标准,为生产流水线装备的规模化推广打下了坚实的基础。
团队攻克了西方的绿色制造壁垒,其研发的产品顺利通过由欧盟立法制定的RoHS强制性标准,为电子元件企业创造了可观的经济效益。2012年以来,这些产品先后在内地主要企业(常熟林芝、深圳安培龙电子、顺络电子等)和港商独资企业(应达利电子)实现了产业化。在ZnO压敏电阻和NTC热敏电阻制造方面,学科团队进一步攻克了“贱金属替代贵金属”“高效磁控溅射旋转靶”“全自动溅射生产线”等5项关键技术,提升了技术水平,并在知名台企(兴勤电子)和大陆电子陶瓷行业协会会长单位(万丰电子)实现了产业化,为企业创造了全新的利润增长点,引领了行业的技术革新。
2012年以来,学科团队已为37家电子元器件企业(包括9家内地电子元器件百强企业,以及中国香港、中国台湾、英国等多家公司)提供了磁控溅射金属化的工业生产流水线技术、全套工艺和装备。该技术与装备发挥了引领作用,推动了我国电子元件的制造工艺革新和绿色制造崛起,解决了该领域重大共性关键技术难题,创造了显著的经济效益和社会效益,也提升了学科的社会影响力。
(四)打造高水平学术会议,引领学术前沿,推进学科国际化发展
电科学科一贯重视通过举办重要学术会议等方式来扩大其国际知名度,引领学科发展。2012—2015年,学科主办了每年的国际电磁学研究进展会议,承办2013年前沿计算电磁学研究及其在微纳电子学中的应用国际研讨会、2014年海峡两岸四地无线科技研讨会、2015年985高校石墨烯材料电子器件研讨会、2016年亚太电磁兼容和信号完整性国际大会等国际和国内会议;参与Progress in Electromagnetics Research及其系列学术期刊的运行工作。
电科学科长期主办的PIERS已成为国际电磁学领域具有重要影响力的标志型学术会议,一直致力于引领电磁学相关领域的学术发展。PIERS由国际电磁科学院前院长、麻省理工学院的孔金瓯教授于1989年创立。自2002年孔金瓯教授加盟浙江大学并创立国际电磁科学院浙江大学分院以来,学科在浙江大学设立了拥有近10位专职人员的PIERS行政办公室,全面负责PIERS的运行,2003年以来已经在世界各地和当地高校协同举办了22届PIERS。学科研究生通过全程参与会场服务和组织工作,得以零距离、全方位感受著名学术会议魅力,锻炼了综合能力,使他们能够更加合理地规划其学术生涯。
2012年以来,学科在境内外主办了6届PIERS。该会议以研究报告的创新性和前沿性为特色,每次都吸引了包括哈佛大学、麻省理工学院、帝国理工学院等国际顶尖大学在内的近40个国家和地区的学者,参加人员累计超过4000人次(包括近100位IEEE Fellow和电磁科学院院士)。境外举办会议情况,以2013年在瑞典首都斯德哥尔摩举办的PIERS为例,共收到1650份来自世界各地的论文投稿,参会人员超过1500人。境内举办会议情况,以2014年在广州举办的PIERS为例,共收到1300多份来自世界各地的论文投稿,组织超过120个论坛分会,参会人员超过1400人。其中学科组织的关于Transformation Optics的分会,邀请了包括该领域的先驱者Pendry教授在内的20多位国际同行做报告,会议对这一前沿领域将来几年的发展做了深入探讨。
通过主办高水平国际会议方式加强了与国际同行的交流并取得硕果,学科团队与麻省理工学院等国际顶尖大学合作开展的研究成果连续在Science、Nature子刊、PNAS发表,推动了国际学术的发展。