为国产芯片助力,“要最大程度发挥我的价值”

“当电脑因长时间工作而发烫时,用风扇或冰袋降温是办公室一族首先想到的‘绝招’。这种日常生活中常见的操作便是传热科学的一个典型应用。”通俗易懂的举例让听众立刻对“传热”这一专业词有了直观理解。

这样“接地气”的表述,是杭州电子科技大学机械工程学院教授董源为做好科普工作而特意采用的方式。

传热现象随处可见,几乎人人都可以说上两句,但在工程技术领域的尖端应用尚待专家学者的深入研究。董源就是这样一位年轻的专家。

他主要从事高端装备智能制造、工程热物理、半导体材料、人工智能、高性能计算等交叉学科研究,已在国际期刊发表《科学引文索引》(SCI)论文30余篇。

▲董源在之江同心·海归浙里留学人员爱国奋斗报告会上作报告

如果说读书之于董源是“厚积”,那工作时他的研究则可视为“薄发”。

通过对传热现象的研究,在半导体新材料(例如石墨烯)的制备、生长及性能研究和电子芯片的热管理方面,董源的创意逐渐转变为能够提升性能、保护精密芯片更好运行的“超能力”,他是半导体的护“芯”使者。

01

最想做的事:
把创新成果用到制造业

董源出生于1987年,如今已在传热学领域“摸爬滚打”15年之久,取得了丰硕的研究成果。

回首十多年前,他在填报高考志愿的时候还是一片迷茫,只隐约觉得航天航空专业于国于民都很重要,于是他义无反顾地选择了这条道路。

那时恰逢我国“神舟五号”发射成功,全国上下掀起航天航空热潮。清华大学成立了航天航空学院。董源有幸成为新学院的第一批本科生且一直读到取得博士学位。

博士阶段,董源师从我国著名工程热物理学家过增元院士,就热质理论-新概念热学展开研究。

▲董源教授与博士导师过增元院士合影

埋首耕耘结硕果。董源在热质理论方面的研究成果得到了学界的肯定:2011年他获中国工程热物理学会传热传质学术会议青年优秀论文奖一等奖,2012年获中国工程热物理学会“吴仲华优秀学生奖”等荣誉。毕业时,他的博士论文获得了清华大学优秀博士论文一等奖,并入选斯普林格(Springer)出版社出版的世界优秀博士论文丛书。

回想前期的积累,董源感慨万千:“我博士阶段研究的课题是微纳尺度传热,研究成果不只可以在航空航天领域有所应用。在激光技术、集成电路热管理、新材料技术等方面也有很多重要的应用。”

董源提及所做工作的意义,倍感欣慰和自豪。将基础原创科研成果应用到事关提升我国核心领域竞争力的高端制造业当中去,是他最想做也是最乐意看到的事情。

02

创新!推动半导体材料研发

做一名有国际化视野的青年科学工作者——这是毕业时导师对董源的叮咛,它深深地印在了董源的心里。

2014年,董源前往美国密苏里大学哥伦比亚分校担任研究助理教授。密苏里大学的传热学研究有着悠久的历史和良好的传承。选择到这里工作,董源意在开阔自己的视野。

工作5年间,董源不仅参与了教学工作——指导本科生和研究生,而且还自己申请经费开展了许多科研工作,这些经历对他来说是一个非常好的锻炼过程。

他开创性地将人工智能和半导体新材料的设计相结合,将深度学习技术和对抗生成网络技术用于半导体新材料的识别和自动化设计,大大缩短了新材料的研发周期。

半导体新材料研发难、工业化周期长,这是业界公认的。这是由于半导体新材料的化学成分、掺杂比例、空间结构、界面特征乃至制备工艺都存在大量的待定参数。在巨量的材料学变量中要找到符合要求的最佳材料,基本上完全依赖专家的科学经验。

以石墨烯为例,这种新材料具有特殊性质,在电子芯片、能源环保、医疗健康领域有巨大的应用潜力,自发现以来备受关注。多年来,通过掺杂手段调控石墨烯的带隙逐渐成为研究热点。

传统的实验和理论计算手段往往只能获取少量掺杂结构的性质,无法全面、优化地设计掺杂石墨烯结构。针对这个难题,董源率先将人工智能应用到石墨烯-氮化硼掺杂材料中,设计了一套将高通量量子化学计算与深度学习-对抗生成学习等人工智能耦合起来的方法,从而大大推动半导体新材料的研发速度。

这些方法不仅可以提高新材料的研发效率,为新材料的研发工作带来新的思路和工具,还可以使科学家更好地探索和理解材料科学的本质规律。

董源最希望看到的,就是他的这些研究成果能助力我国在先进芯片制造、航空材料、药物研发等领域的创新发展,为我国早日突破这些技术瓶颈提供强有力的支持。

03

做国产装备和生产线

2019年9月底,时逢中华人民共和国成立70周年,董源归国全职加入杭州电子科技大学机械工程学院。

“杭州电子科技大学在计算机、半导体技术方面有不错的技术积淀,但是也有很大的上升空间。这里能够最大程度地发挥我的价值。”

回国后,董源迅速投入教学和科研工作。他专门给本科生开设了“集成电路封装与测试”课程,为他们讲解传热学、电子封装技术和新材料的交叉学科知识,带他们了解业界最新进展和学科前沿知识。

他的目标很清晰:半导体新材料对集成电路、低碳能源都有重要的意义,但我国在相关领域的设备国产化程度较低。而他要做的,就是利用这些多学科交叉的前沿知识,设计制造出国产化的装备和生产线,为新一代半导体材料的产业化作贡献。

回国3年多以来,董源先后主持和参与科技部重点研发项目、国家自然科学基金项目、浙江省重点研发项目等国家和省部级科研项目。研究内容涉及集成电路热管理技术、先进制造技术、智能产线技术、半导体新材料技术等多个领域。

如今,虽然人工智能技术得到广泛应用,但它与新材料的结合研究却依然很少。董源希望在未来5~10年,能将人工智能深入应用于新材料设计,提升新材料研发和产业化速率,创造更多成果。

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