《芯片与科学法案》可能需要5万名新工程师。
对于新工程师的培训来说，切合实际的实验室经验是个关键。在俄亥俄州立大学的纳米技术西部实验室里，学生们能获得接触半导体关键制造技术的经验
2023年3月，旨在刺激美国芯片制造业的《芯片与科学法案》（The CHIPS and Science Act）刚开始申请法案所规定的500亿美元资金的一部分，而芯片制造商们早已摩拳擦掌，做好准备。内存和存储器芯片制造商美光科技（Micron）计划投资1 000亿美元在纽约州北部建设一家新工厂。台积电（TSMC）早已在亚利桑那州建设一家耗资120亿美元的制造厂，随着第二家工厂的开工，投资总额将达到400亿美元。三星公司计划投入170亿美元，于得克萨斯州奥斯汀附近建设一家芯片制造厂。而在去年9月，英特尔公司在俄亥俄州中部投资200亿美元建设的两家新工厂中的第一家破土动工。
尽管这对于美国经济而言令人兴奋，但也存在一个潜在的问题：芯片产业将在哪儿找到工厂运作、芯片设计所需要的合格劳动力？根据美国半导体行业协会2020年9月的报告，目前美国仅仅制造全球12%的芯片，和1990年时37%的比例相比大幅下跌。专家说，在过去30年里，半导体和硬件教育停滞不前。但是，《芯片与科学法案》若要成功，每家芯片制造工厂会需要数百名技术娴熟的各类工程师和技术人员，他们接受的培训各不相同，从两年制副学士到博士都应该有。
美国的工程学校目前正在快马加鞭培养人才。大学和社区学院在重新调整半导体相关课程，与其他学校和产业界打造战略性合作伙伴关系，以便培训运行美国芯片代工厂所需的劳动力。根据普渡大学电气与计算机工程教授彼得 · 伯梅尔（Peter Bermel）的说法：“到2022年末，半导体行业有大约2万个岗位空缺。即使这个领域的增长有限，在未来五年内也需要多雇用至少5万人。我们需要十分迅速地加大努力。”
英特尔公司进军俄亥俄州
美国中西部地区可能以农业和重工业而不是半导体而闻名，但由于研究型大学和技术学院数量众多，芯片制造商认为这里是他们产业的沃土。
就拿英特尔公司来说，英特尔想要在俄亥俄州创造一片“硅核心地带”。除了在一片4平方千米的场址上建设两家前沿芯片工厂（该场址上还能容纳六家工厂），英特尔公司也已经承诺向俄亥俄州内80家高等教育机构提供5 000万美元。这笔资金应该能帮助大学和社区学院升级课程、培训和雇佣教员、提供设备，而英特尔公司也打算提供实习、指导和研究机会。
俄亥俄州立大学在利用它的芯片制造设施来培训未来的工程师与技术人员。照片中从左至右分别是俄亥俄州立大学学生凯莱布·马洛里（Caleb Mallory）和杰恩·格里菲思（Jayne Griffith），纳米制造经理艾梅·普赖斯（Aimee Price），哥伦布州立社区学院的学生克里斯·施陶特（Chris Staudt），他也是俄亥俄州立大学纳米技术西部实验室的一员
上述资金有一部分已经流向俄亥俄州立大学，该大学会领导一个新成立的跨学科先进半导体制造研究与教育中心，将覆盖10所州内高校。大多数半导体相关课程都是针对电气与计算机工程的学生设计的，但俄亥俄州立大学现在想要将其他学科的学生包含进来。俄亥俄州立大学在为学生们设计培养路线，让他们掌握半导体相关技能，而且在改革那些学科的课程，以便反映最新的产业技术。材料工程师将学习芯片封装材料的新课程，产业系统工程师会学习到半导体制造工艺，而机械工程师会逐步了解器件制造工具，俄亥俄州立大学工程学院院长艾安娜 · 霍华德（Ayanna Howard）这么说道：“现在，我们将制造业带回美国，我们的课程如今在引进所有组件，要培训出这些工程师的话，这些组件是一直以来都需要的，但却并未成为大规模培养计划的一部分。”
霍华德补充说，这片地区并无人才短缺的问题，因为制造业早已是俄亥俄州和美国中西部其他地区的主要经济活动。2011年时，俄亥俄州启动一个名叫“就业俄亥俄”的倡议，以便在计算机科学、生物科技和医疗保健制造领域培养出更多科学、技术、工程和数学（STEM）毕业生。如今的问题是要彻底革新课程，以便满足半导体制造行业的需要。“当英特尔公司来到这片地区，它确实加强了我们一直在思考的种种举措。”
除了领导州里的大学参与两个项目，俄亥俄州立大学还在与其他10所中西部教育机构合作——其中包括普渡大学和密歇根大学——从更加整体的角度思考工程教育。霍华德说道：“我们要如何创造出一套课程，允许那些可能不具备基础条件——比如实验室空间或训练有素的教员——的大学也能给予学生半导体相关的经验？”
譬如，在2021年秋，俄亥俄州立大学试点了一个课程，使用台式实验室设备来教授学生芯片制造工艺，允许他们能在不具备昂贵的无尘室条件下学习。工程学院也在与创意美术系合作，开发增强现实和虚拟现实工具，未来让学生能体验到模拟的芯片制造工厂。
天水科技公司搬到普渡大学附近
英特尔正在开发的工厂以西大约400千米处，另一家芯片工厂的建设计划已经敲定。2022年7月，天水科技宣布在印第安纳州西拉斐特的一处工业园区投资18亿美元建设一家芯片制造厂，天水科技是一家采用专业和成熟工艺来制造芯片的代工公司。毗邻的普渡大学已经推出一个全新的跨学科半导体学位计划，给予本科生和研究生一系列选项，让他们能获得半导体行业所需的核心技能。传统的电子工程课程涵盖集成电路和芯片设计，但新学位计划教授其他的芯片制造的关键步骤，包括化学、材料学、工具、制造和封装，甚至还有供应链管理。学生可以选择辅修课程，取得硕士学位，或者获得辅修证书。
普渡大学研究生劳拉·沙维斯（Laura Chavez）和马文·张（Marvin Zhang）利用比尔克纳米技术中心的设备进行半导体和集成电路特性分析。总部位于明尼苏达州的代工公司天水科技正在普渡大学附近建造一家芯片制造工厂
天水科技的代表会在该计划的介绍性研讨课程中告知学生各种不同的职业选择。学生被保证将获得普渡大学纳米技术中心和半导体公司的学习经验。进阶课程涵盖半导体材料和器件、与产业相关的单片系统设计。该计划依赖于普渡大学受到美国国防部资助、于2020年启动的SCALE项目（旨在培训本科生设计和制造用于太空的半导体）。“SCALE专注于国防的微电子器件，但SCALE和半导体学位计划是协同的。”普渡大学的伯梅尔教授说道，“芯片在许多方面的确切应用空间是不可知的。”
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工科本科生参与集成电路设计与装配课程，这曾经被认为是研究生级别的课程。学生们在各种不同项目中相互合作
今年，普渡大学会启动一个全新的计划，旨在为天水科技公司培训工人。这个计划受到印第安纳州和地区经济发展组织的支持，会通过合作伙伴常春藤技术社区学院的副学士课程，涵盖操作员和技术员培训。除了开发有针对性的课程作业和在公司实习的制度，普渡大学团队还计划外延到本地高中，介绍附近芯片加工厂的工作机遇，希望借此能吸引更多学生进入工程专业。
暑假时能在天水科技佛罗里达代工厂实习的机会让普渡大学本科生阿妮卡 · 布巴勒姆（Anika Bhoopalam）对半导体行业的兴趣更加浓厚。布巴勒姆是名大四学生，主修化学工程，辅修电气与计算机工程。她感觉自己学习的物理学、材料科学和工程课程，结合科研实验室里制造薄膜和太阳能电池的经历，已经让她准备得很充分。她会继续攻读博士学位，主攻材料科学和固体物理学，这样她就可以继续做芯片制造的工作。“我发现半导体行业是个快节奏、激动人心的有趣领域，你每天都能处理不同的任务。”
伊利诺伊州改善芯片教育
传统上，学生到了研究生院才会开发、构造和检测集成电路。但大学正在尝试更早地提供第一次动手实践的经历。在2021年秋，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气与计算机工程教授帕万 · 哈努莫卢（Pavan Hanumolu）和拉凯什 · 库马尔（Rakesh Kumar）设计一个名叫“先进系统设计”的课程，引导高年级本科生了解集成电路制造的每一步。
亚利桑那州立大学的技术工作科研设施内，工作人员亚历克斯·卡布雷拉（Alex Cabrera，左）与学生莫妮卡·盖坦（Monica Gaytan）穿过一间实验室，大学生在这儿接触芯片制造设备
“这是基本的内容，”哈努莫卢说，“公司不想学生在工作时才学习这些内容。假如我们能提供这些技能，那么也许能缩短培养路径，尽快扩大芯片产业的人才池。”
学生以团队形式合作，定义问题，设计一片能用的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路来解决问题。设计方案发送给台积电进行制造，之后学生检测芯片，按照需要重新设计电路，为芯片生成印刷电路板。库马尔说，迄今为止，30名学生已经上过该课程，其中一些人已经在苹果、英特尔和西门子之类的公司里实习或工作。“雇主赏识我们的学生所经历的严格教育，”哈努莫卢说，“他们知道这些学生毕业时会掌握独特的技能组合。”
亚利桑那州迎来台积电
先进的芯片制造厂在美国中西部也许属于新事物，但在美国西南部，亚利桑那州立大学早已抢先为美国蓬勃的芯片产业做好准备。1960年代，摩托罗拉公司选择凤凰城附近的沙漠作为工厂地址。航天和防务公司随后又来到这儿，接着英特尔公司在1980年代来到这儿，它们的工厂目前仍在扩张。2021年台积电位于凤凰城的大型芯片工厂破土动工。亚利桑那州立大学工程学院院长凯尔 · 斯夸尔斯（Kyle Squirs）说，与这些公司的合作为亚利桑那州立大学半导体教育和科研打造坚实的基础。
他说：“半导体的源头要追溯到1960年代，你能在我们的DNA中看到。”电子工程学院的教师中有很大一部分人拥有产业经验，与产业界有紧密联系。他们将专业知识带入硬件工程课堂和实验室，让学生能获取到奖学金、研究机会、实习岗位，甚至是工作职位。斯夸尔斯说：“这对于我们来说是一种与这些公司维持交流的方式，知道它们在做些什么，将往哪个方向发展。技术需要继续往前发展，大学课程也是同样的道理。科研给教学灌输信息，反过来教学也帮助了科研。这是一种反馈循环。”
亚利桑那州立大学拥有一处大型微电子研究设施，最初是摩托罗拉公司的一家半导体工厂。大三和大四的电气工程学生能选择选修课程，那些课程给予他们在无尘室里直接进行半导体加工的经验。同时，研究生能获取15个学分的半导体加工证书，该课程会培训学生接触芯片制造的各个方面。斯夸尔斯承认，对于大多数大学来说，将价值数百万美元的加工设备投入到本科生实验室里并不现实，因此，与产业合作伙伴建立关系能帮助弥补这一差距。
社区学院可能成为关键
英特尔公司不仅仅将自己视作一名合作伙伴，更是将自己视为升级高等教育体系、培养所需劳动力的催化剂，英特尔公司的大学科研合作总监加布里埃拉 · 克鲁兹 · 汤普森（Gabriela Cruz Thompson）说道。英特尔作为美国少数几家仍然在自行生产大多数晶圆的半导体公司之一，正在扩张它位于亚利桑那州、新墨西哥州和俄勒冈州的工厂。其结果是将创造7 000个工作岗位，其中大约70%的岗位会招收拥有两年制学位的人，25%的岗位会招收拥有本科、硕士和博士学位的人才。
社区学院会成为填补新建芯片工厂劳动力需求的关键。马里科帕社区学院的学生在亚利桑那州坦佩一家英特尔赞助的实验室里工作
然而，自新冠疫情以来，英特尔公司为了维持工厂的运作，一直要努力寻找足够的拥有两年制学位的操作人员和技术员。这使得社区学院成为微电子劳动力拼图中至关重要的一块，汤普森说道。在俄亥俄州，英特尔公司将大多数教育资金给予职业技术学院和社区学院，它们能给现在的先进制造课程增加针对半导体的培训。英特尔公司也在请求大学给社区学院的学生提供在无尘室里实际动手操作的体验。
类似地，三星公司和硅谷实验室在奥斯汀通过奖学金、暑假实习岗位、导师计划等方式，投资了邻近的社区学院和职业技术学院。三星公司在奥斯汀社区学院支持一个为高中学生提供技术培训的倡议。同时，三星公司的芯片工厂学徒计划允许学生一边完成副学士学位，一边每周在三星公司工作两天。三星奥斯汀半导体公司的传播与社区事务部门主管米歇尔 · 格莱兹（Michele Glaze）说：“我们支付全额学费和书本费用，只要学生能保持3.0或更高的平均绩点（GPA）。”
劳动力短缺到处存在
半导体行业人才短缺并非美国本土独有的问题。中国台湾制造了全世界大约65%的芯片，但根据报道，寻觅年轻的半导体工程师已经变得很困难。全球各地的半导体公司都在争夺人才：它们提高薪酬，向本科生——甚至是职高学生——分发奖学金、实习岗位和导师培养的机会，希望更早地吸引他们。“随着对先进半导体的需求持续上升，芯片制造商争夺人才，我们看到劳动力的供给落后于高需求量。”三星公司的格莱兹说道。
韩国的芯片公司也在努力寻找工人，图中显示三星公司的员工于工作培训期间正在做一个项目
三星公司与韩国的四个主要大学合作，提供量身定做的课程，培养半导体研发和制造领域的学生。同时，中国台湾地区的政府与芯片公司合作，向顶尖大学专注于芯片的研究生院投入3亿美元，培训下一代的半导体工程师。
英特尔公司的汤普森说，吸引更多学生来学习工程是个大问题。软件行业富有吸引力的工作已经导致电气工程和计算机科学之间的平衡发生转变。“学术界说我们正在失去电气工程的学生，他们都跑到软件专业去了。但我们也需要软件。我认为，整个情况是我们需要更多选择STEM的学生。”
也许，《芯片与科学法案》正是将半导体置于聚光灯下、吸引学生攻读硬件相关学位所需要的。伯梅尔教授说，在普渡大学，他发现人们对每年9月份招聘会上的半导体信息越来越感兴趣。以往，这个招聘会上有十几家半导体公司雇主，但2022年9月的招聘会上出现28家半导体公司，吸引超过600名学生。半导体行业若要更加成功地向前发展，软件行业的做法也许值得借鉴。这些做法包括“假如有可能的话，甚至对只念完一年的本科生也提供更好的机遇，支付丰厚的薪水，但也要让大众更清楚地明白半导体公司为何如此重要”。
资料来源 IEEE Spectrum