芯片人才短缺席卷全球，美國的應對之策
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝。
在啓動美國芯片制造的 CHIPS 和科學法案在 3 月份才开始接受其500 億美元的部分請求，但芯片制造商已經提前做好準備。內存和存儲芯片制造商美光宣布斥資1000 億美元在紐約州北部新建工廠。臺積電 (TSMC) 已經在亞利桑那州建造了一座價值 120 億美元的晶圓廠，通過第二家工廠將投資增加到 400 億美元。三星正計劃在得克薩斯州奧斯汀附近投資 170 億美元建造一座工廠，英特爾也在 9 月破土動工在俄亥俄州中部價值 200 億美元的兩個大型新設施中的第一個。
盡管這對美國經濟來說令人興奮，但存在一個潛在的問題：該行業將在哪裏找到運營這些工廠和設計他們將生產的芯片所需的合格勞動力？根據半導體行業協會2020 年 9 月的一份報告，如今美國制造的芯片僅佔世界芯片的 12%，低於 1990 年的 37% 。專家說，在過去的幾十年裏，半導體和硬件教育停滯不前。但要使 CHIPS 法案取得成功，每個晶圓廠都需要數百名各行各業的熟練工程師和技術人員，接受從兩年制副學士學位到博士學位的培訓.
美國的工程學校現在正在競相培養這種人才。大學和社區學院正在改進與半導體相關的課程，並與彼此和行業建立战略合作夥伴關系，以培訓運營美國代工廠所需的員工。普渡大學電氣與計算機工程教授彼得伯梅爾 (Peter Bermel)表示，到 2022 年底，半導體行業大約有 20,000 個職位空缺。“即使這個領域的增長有限，你也需要在未來五年內至少增加 50,000 名員工。我們需要非常迅速地加大努力。”
英特爾抵達俄亥俄州
美國中西部可能以農業和重工業而不是半導體而聞名，但芯片制造商押注這裏是他們行業的沃土，這要歸功於大量的研究型大學和技術學院。
以英特爾爲例，它希望在俄亥俄州打造一個“硅中心地帶”。除了在一個 4 平方公裏的巨型場地上建造兩個尖端芯片工廠（可容納另外 6 個晶圓廠）外，該公司還承諾向該州的 80 所高等教育機構提供 5000 萬美元的資金。這些資金將幫助大學和社區學院升級課程、培訓和聘用教職員工並提供設備，英特爾還計劃提供實習、指導和研究機會。
這些資金的一部分已撥給俄亥俄州立大學，該大學將領導一個新的先進半導體制造研究和教育跨學科中心。這將跨越 10 所州內學院和大學。雖然大多數與半導體相關的課程都是爲電氣和計算機工程專業的學生設計的，但俄勒岡州立大學現在希望招收其他學科的學生。該大學正在爲他們創建掌握半導體相關技能的途徑，並且正在修改這些學科的課程以反映最新的行業技術。Ayanna Howard說，材料工程師將开設有關芯片封裝材料的新課程，工業系統工程師將學習半導體制造工藝，機械工程師將了解設備制造工具，俄勒岡州立大學工程學院院長。“現在我們將制造業帶回 [美國] 海岸，我們的課程現在正在引入所有這些組件，這些組件一直是需要的，但還沒有成爲培訓所有這些工程師所需規模的計劃的一部分。”
霍華德補充說，該地區並不缺乏人才，因爲制造業已經成爲俄亥俄州和中西部其他地區的主要活動。2011 年，俄亥俄州啓動了一項名爲 Jobs Ohio 的計劃，旨在培養更多計算機科學、生物技術和醫療保健制造領域的科學、技術、工程和醫學 (STEM) 畢業生。她說，現在的問題是全面改革課程以迎合半導體制造的需要。“當英特爾來到該地區時，它確實強化了我們一直在思考的所有事情。”
除了與州立大學一起領導兩個項目外，俄勒岡州立大學還與其他 10 所中西部機構合作，包括普渡大學和密歇根大學，以“更全面地考慮工程教育，”霍華德說。“我們如何創建一個課程，讓可能沒有基礎設施（比如實驗室空間或訓練有素的教職員工）的大學爲學生提供半導體體驗？”
例如，在 2021年秋季，俄勒岡州立大學試行了一門課程，使用臺式實驗室設備向學生傳授芯片制造過程，讓他們無需昂貴的潔淨室即可學習。工程學院還與創意藝術系合作創建增強現實和虛擬現實工具，讓學生體驗模擬工廠。
SkyWater 搬到普渡隔壁
在英特爾开發區以西約 400 公裏（250 英裏）處，計劃建造另一座晶圓廠。2022 年 7 月， 使用專業和成熟制造工藝制造芯片的代工廠SkyWater Technology宣布在印第安納州西拉斐特的一個工業園區投資18 億美元建造芯片廠。隔壁的普渡大學啓動了一個新的跨學科半導體學位項目爲本科生和研究生提供一系列選擇，以獲得半導體行業所需的核心技能。雖然 EE 課程傳統上涵蓋集成電路和芯片設計，但新課程教授其他關鍵的芯片制造步驟，包括化學品、材料、工具、制造、封裝，甚至供應鏈管理。學生可以選擇輔修該課程、獲得碩士學位或獲得證書。
SkyWater 代表將在該計劃的介紹性研討會課程中向學生介紹各種職業選擇。保證學生在普渡的納米技術中心和半導體公司有經驗。高級課程涵蓋半導體材料和器件，以及工業相關的片上系統設計。該計劃以普渡大學的 SCALE 計劃爲基礎 ，該計劃由美國國防部資助並於 2020 年啓動，旨在培訓本科生設計和制造太空半導體。“SCALE 專門針對國防微電子學，但 SCALE 和半導體學位課程是協同的，”普渡大學的 Bermel 說。“芯片在很多方面都與確切的應用空間無關。”
今年，普渡大學將啓動一項旨在爲 SkyWater 培訓員工的新計劃。在州和地區經濟發展組織的支持下，該計劃將包括通過合作夥伴 Ivy Tech Community College的副學士學位課程對操作員和技術人員進行培訓。除了與公司一起开發有針對性的課程和實習外，Purdue 團隊還計劃在當地高中开展外展活動，了解附近晶圓廠的工作機會，以期吸引更多學生學習工程學。
在 SkyWater 佛羅裏達晶圓廠的暑期實習鞏固了普渡大學本科生 Anika Bhoopalam 對半導體行業的興趣。Bhoopalam 主修化學工程，輔修電氣和計算機工程，她認爲自己修讀的物理、材料科學和工程課程，再加上制造薄膜和太陽能電池的研究實驗室經驗，讓她做好了充分的準備。她計劃攻讀博士學位。專注於材料科學和固態物理學，因此她可以繼續從事芯片制造工作。“我發現半導體行業是一個快節奏、令人興奮且有趣的領域，你每天都要處理不同的任務。”
伊利諾斯州提升其芯片教育玩法
傳統上，學生在研究生院开發、構建和測試集成電路。但是大學正試圖更早地提供第一次實踐經驗。2021 年秋季， 伊利諾伊大學香檳分校的電氣和計算機工程教授Pavan Hanumolu和Rakesh Kumar創建了一個名爲“高級系統設計”的課程，該課程帶領高年級本科生完成集成電路制作的每一步。
“這是一項實事求是的工作，”Hanumolu 說。“公司不希望學生在工作中學習這些。如果我們能夠提供這些技能，那可能會縮短增加行業人才庫的途徑。”
學生團隊合作，定義問題並設計功能性 CMOS 集成電路來解決該問題。設計被發送到 TSMC 工廠進行制造，之後學生測試芯片，根據需要重新設計電路，並爲芯片制作印刷電路板。Kumar 說，到目前爲止，已有 30 名學生參加了這門課程，其中一些人已經在 Apple、Intel 和Siemens 等公司實習和工作。“僱主很欣賞我們學生所經歷的嚴謹，” Hanumolu說。“他們知道這些學生畢業時會 具備什么樣的獨特技能。”
亞利桑那州增加臺積電
雖然尖端芯片廠在中西部可能是新事物，但在西南部， 亞利桑那州立大學在爲不斷擴大的陸上芯片產業做準備方面已經處於領先地位。早在 1960 年代，摩托羅拉就選擇了鳳凰城附近的沙漠作爲其工廠。航空航天和國防公司緊隨其後，然後英特爾在 1980 年代到來，目前正在擴張。最近，臺積電於 2021 年在鳳凰城的美國大型晶圓廠破土動工。工程學院院長 Kyle Squires表示，與這些公司的聯系爲亞利桑那州立大學的半導體教育和研究奠定了堅實的基礎。
“你可以在我們的 DNA 中看到這種半導體存在的起源可以追溯到 60 年代，”他說。很大一部分 EE 教師具有行業經驗，並與行業有着密切的聯系。Squires 說，他們將自己的專業知識帶入他們設計的硬件工程課程和實驗室，同時讓學生獲得獎學金、研究機會、實習機會，並最終獲得工作。“這是我們與這些公司保持聯系的一種方式，他們在做什么，他們要去哪裏。隨着技術需要不斷發展，課程也需要不斷發展。它是爲教學提供信息的研究，反之亦然。這是一個反饋循環。”
ASU 擁有大型微電子設施（最初是摩托羅拉半導體工廠），大三和大四的 EE 學生可以選擇選修課，讓他們在設施的潔淨室中獲得直接的半導體加工經驗。與此同時，研究生可以獲得 15 個學分的 半導體加工證書，在芯片生產的各個方面對他們進行培訓。Squires 承認，將數百萬美元的工具放入本科生實驗室對大多數大學來說是不現實的，因此與行業合作夥伴建立關系可以幫助彌補差異。
社區學院可能是關鍵
英特爾大學研究合作主管Gabriela Cruz Thompson 表示，英特爾不僅是合作夥伴，還將自己視爲升級高等教育系統以培養所需勞動力的催化劑 。英特爾是爲數不多的仍在美國生產大部分晶圓的半導體公司之一，它正在擴大其在亞利桑那州、新墨西哥州和俄勒岡州的工廠。在由此創造的 7,000 個工作崗位中，大約 40% 將提供給擁有兩年制學位的人，擁有學士、碩士學位和博士學位的人各佔 20%。
然而，自 COVID 以來，英特爾一直在努力尋找足夠的擁有兩年制學位的操作員和技術人員來維持代工廠的運轉。湯普森說，這使得社區學院成爲微電子勞動力難題的重要組成部分。在俄亥俄州，該公司將大部分教育資金提供給技術學院和社區學院，以便他們可以在現有的先進制造計劃中增加針對半導體的培訓。英特爾還要求大學爲社區大學生提供潔淨室實踐經驗。
三星和奧斯汀的Silicon Labs也通過獎學金、暑期實習和導師計劃對鄰近的社區學院和技術學校進行類似的投資。三星支持奧斯汀社區學院的一項計劃，該計劃爲高中生提供技術培訓。與此同時，該公司的Fab Apprentice Program允許學生在每周兩天在三星工作的同時完成副學士學位。“只要學生的 GPA 保持在 3.0 或更高，我們就會支付 100% 的學費和書本費，”三星奧斯汀半導體公司傳播和社區事務主管 Michele Glaze說。
各地芯片勞動力短缺
半導體人才短缺並非美國獨有。據報道，臺灣生產了全球約 65% 的芯片，但尋找年輕的半導體工程師越來越難 。世界各地的半導體公司都在爭奪人才：他們提高工資，並向本科生甚至職業高中生提供獎學金、實習和指導，希望盡早吸引他們。“隨着對先進半導體的需求不斷增加，芯片制造商爭奪人才，我們看到勞動力供應落後於高需求，”三星的 Glaze 說。
三星與韓國四所主要大學合作，提供量身定制的課程來培訓半導體研發和制造方面的學生。與此同時，臺灣政府正與芯片公司合作，投資 3 億美元在頂尖大學內以芯片爲重點的專業研究生院，以培訓下一代半導體工程師。
英特爾的 Thompson 說，吸引更多的學生學習工程學是一個大問題。軟件行業中有吸引力的工作導致電氣工程和計算機科學之間的平衡發生了轉變。“我們從學者那裏聽說，我們正因爲軟件而失去 EE 學生，”她說。“但我們也需要軟件。我認爲這是‘我們需要更多學生從事 STEM 職業’的總和。”
CHIPS 法案可能正是將半導體置於聚光燈下並吸引學生攻讀硬件相關學位所需要的。在 Purdue，Bermel 說他在一年一度的 9 月招聘會上看到人們對半導體信息會議的興趣有所上升。從歷史上看，該展會只有少數半導體僱主，但今年有 28 家，吸引了 600 多名學生。他說，爲了讓半導體行業在未來取得更大的成功，軟件行業的做法可能值得效仿。這包括“爲學生提供更好的機會，即使可能的話，即使只在本科一年級之後，給他們高薪，同時也讓公衆更加清楚爲什么半導體公司很重要。”
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