从北大到北大,中国半导体事业的梦起之地

2019-07-19来源: eefocus关键字:芯片  半导体  中国芯

1941年,中华大地奏响极限艰难的抗战悲歌。头顶狂轰滥炸,地面炮火连天,高温火海、堤防骤溃、饥馁煎迫,几多地区犹如人间炼狱,生离死别不过早晚之间。

 

但这一切,还不足以扰动西南联大“内树学术自由,外筑民主堡垒”的精神内核。

 

校舍是荒山野岭上搭起的茅草屋,地面是泥土压成的,宿舍的方口嵌上几根木棍就是窗子,教室的屋顶覆盖着白铁皮,一到下雨天,“叮叮当当”的声响盖过老师授课的声音。

 

由梁思成林徽因夫妇设计的西南联大校舍

 

生活更是拮据到极致,从老师到学生都一贫如洗,物理系教授吴大猷为给病妻治病,每日化装成乞丐,到菜市场捡剩骨头给妻子熬汤。

 

这样的背景下,吴大猷收了黄昆做研究生,黄昆刚从北大物理系毕业,经著名金属内耗研究大师葛庭燧的推荐,在西南联大半工半读。

 

彼时,这个年仅22岁的年轻人,已在北大期间靠自学啃下了国内刚起步的量子物理。而14年后,以黄昆为代表、一批从海外学成归来的顶尖半导体人才,驻扎在北大,转动了中国半导体事业的罗盘。

 

这是一场艰难卓绝的苦旅,起步于一无所有,卷入摧毁信仰的浩劫,在漫无边际的黑暗里,每一位先辈都犹如一缕微光,微光与微光交汇,又孕育出新的微光。当新的微光投身于中国半导体事业,举目四望,天已经快亮了。

 

谈及中国半导体人才大本营,人们往往首先想到国内清华大学、国外加州伯克利,而当我们追溯中国半导体事业的起源,我们发现,北大亦在中国半导体事业的长征,尤其是半导体基础理论的起步和发展,以及学科建设与人才输出中,扮演着不容小觑的角色。

 

“物格无止境,理运有常时。”北大物理学院中的石碑,陪伴着一代代半导体师生们走向充满期冀的未来。

 

一、从北大到北大

1936年,黄昆17岁,高考语文成绩一塌糊涂,与清华、北洋工学院失之交臂。

 

第二年,他通过保送考试,进入燕京大学物理系。15年后,他执起教鞭,走上北大物理系的讲台,在数百位学子心中,埋下半导体物理研究的种子。

 

黄昆

 

浸染于燕京大学求真务实的环境中,黄昆养成了独立思考的习惯。本科毕业后,他来到西南联大物理系,师从中国物理学之父吴大猷。

 

在这里,他结识了杨振宁、张守廉两位挚友,他们被称为西南联大“三剑客”,结成了长达半个世纪的深厚友谊。

 

美国国家档案馆图片:位于昆明西北郊外的西南联大校园

 

“我们无休止地辩论着物理里面的种种题目。”黄昆70岁寿辰之际,杨振宁在《现代物理和热情的友谊》一文中写道。

 

一天,围绕哥本哈根学派一个重大而微妙的贡献,“三剑客”从喝茶到晚回宿舍,甚至关灯上床后,一直争论得停不下来。最后,三人干脆一起爬下床,点亮蜡烛,翻起海森堡的《量子理论的物理原理》,来调解他们的辩论。

 

“我记得黄昆是一位公平的辩论者,他没有坑陷他的对手的习惯。”杨振宁在回忆文章中写道,“我还记得他有一个趋向,那就是往往把他的见解推向极端。很多年后,回想起那时的情景,我发现他的这种趋向在他的物理研究中似乎完全不存在。”

 

“人生不相见,动如参与商。”1944年,三人西南联大研究生毕业,各奔前程。但他们的友谊并没有随时空的隔离而流逝,只是两人见面时有,三人相聚不多。

 

西南联大物理系三剑客

 

西南联大带给黄昆的不仅是珍贵的友谊,还有对物理学理论之精湛更新的理解,对学习现代物理奥秘,进入了一个新的思想境界。

 

毕业之时,语文再次成为黄昆求学路上的绊脚石。留美考试因语文得了24分而落选,留英考试作文只写了三行,结果因为考官眼界高,给大家普遍打分都低,让黄昆捡了个漏,被“庚子赔款”留英公费生录取。

 

英国6年,成了黄昆人生的第一个学术贡献高峰时期。

 

在那里,他先后与两位诺贝尔奖得主莫特(N.F.Mott)和波恩(M.Born)共事,期间还收获了一位同为物理系学生的“洋夫人”里斯(A.Rhys,中文名“李爱扶”)。

 

上世纪40年代,20世纪40年代,黄昆在英国利物浦大学做博士后时与同事们合影

 

在英国的6年,黄昆完成了多项开拓性的学术贡献:和晶格动力学奠基人波恩合著的《晶格动力学》,被奉为固体物理学的“圣经”;提出由杂质或缺陷引起的漫散射,被称为“黄散射”;提出著名的“黄方程”和“声子极化激元”概念;与妻子共同提出经典的“黄-里斯理论”,成为固体中杂质缺陷上的束缚电子跃迁理论的奠基石。

 

与此同时,回国的愿望越来越强烈。

 

黄昆1947年4月写给杨振宁一封信——

一方面,“看国内如今糟乱的情形,回去研究自然受影响,一介书生又显然不足有挽于政局,吃苦不讨好,似乎又何必”;

另一方面,“我们如果在国外拖延目的只在逃避,就似乎有违良心。我们衷心觉得,中国有我们和没有我们,makes a difference。”

 

他认为杨振宁“successfully组织一个真正独立的物理中心在你的重要性应该比得一个Nobel Prize还高。同时在这步骤中,devotion to the cause的心也一定要驾于achieve自己地位之上。”

 

1951年底,黄昆作别英国,坐船取道香港,回到北大物理系任职。

 

此时,距美国贝尔实验室造出第一块晶体管已过去了三年,中国百废待兴,半导体产业正亟待一个学术牵头人的出现。

 

二、执教北大,八大海归拓荒人

 

 

新闻界人士曾问黄昆:没有把研究工作长期搞下来,是不是一个很大的损失?

 

黄昆并不同意这种看法:“因为回国后全力以赴搞教学工作,是客观形势发展的需要,是一个服从国家大局的问题。这也并非我事业上的牺牲,因为搞教学工作并没有影响我发挥聪明才智,而是从另一方面增长了才干,实现了自身价值。”

 

1954年,黄昆任北大物理系固体物理专门化教研室主任,在他的牵头下,第一个半导体学科“半导体物理学”、第一个半导体专业化陆续诞生于北大。

 

五校联合半导体专门化1957年毕业生

 

从北大开始,以黄昆、王守武、汤定元、洪朝生、谢希德、高鼎三、林兰英、黄敞为代表的海归半导体先辈们,分别在三尺讲台和研究领域,奉献了无穷的学术财富。

 

仅是在1956~1958年期间,241名学生迎来了毕业典礼,他们走出北大校门后,成为全国首批半导体事业的骨干力量。

 

其时已是世界半导体界的里程碑时期,现代电子工业第一个集成电路,诞生于德州仪器工程师杰克·基尔比的手里,42年后,他因为这一伟大的发明被授予诺贝尔物理学奖。

 

1. 黄昆

 

黄昆

 

黄昆的学术履历表是惊人的,30岁扬名全球物理界,32岁完成《晶格动力学》书稿,36岁当选中国科学院学部委员(后称院士),61岁当选瑞典皇家科学院院士,66岁成为第三世界科学院首批院士中的三位中国人之一,83岁被国家授予2001年度国家最高科技奖。

 

对学生们来说,记忆更为深刻的是黄昆在全国物理界有口皆碑的授课。从而立之年到年近花甲,黄昆在北大物理系的讲坛耕耘了二十六个春秋,一向谦虚的他,唯独对自己的教学有过较为满意的评价。

 

他不限于定义说明与公式推演,而是引导学生们对物理问题有深入的理解。无论是讲课还是做报告,黄昆都坚守两个原则:一,假定听讲人对所讲问题一无所知,且又反应迟钝;二,尽管讲过多次,每次都须重新备课。

 

中科院院士、清华大学教授朱邦芬曾与黄昆共事,在他的回忆中,黄昆精益求精到了极致。他备课备到非常仔细,包括黑板怎么写,这个字写在哪儿,字要多大,擦的时候,哪些要擦掉,哪些不要擦掉。朱邦芬曾经看过他的备课,等于用一个纸写成很多版本,就是黑板上第一批怎么写,第二批哪些擦掉、哪些保留。

 

尽管1955年就当选中科院学部委员,按规定可定级为“一级教授”,但黄昆主动要求定为“二级教授”,认为自己与饶毓泰、叶企孙、周培源、王竹溪等老师拿同样的工资,于心不安。

 

黄昆在中国科学院半导体研究所给研究生讲课

 

时代所限,内部政治干扰、外部技术封锁,多重因素作用下,作为基础科学研究的半导体物理首当其冲,黄昆倾注大量心血的教学工作被迫停止,中国与世界的半导体研究差距越来越大。

 

直至1977年,改革开放总设计师亲自点名58岁的黄昆,让其担任中国科学院半导体研究所所长。以黄昆为学术带头人,半导体研究所成立了半导体超晶格国家重点实验室。

 

上世纪80年代,黄昆进入学术贡献的第二个高峰时期。退居二线的黄昆将更多精力投入科研,集中研究半导体超晶格物理问题,1983年,他与朱邦芬提出的计算超晶格光学声子模式的模型,及类体模解析表达式,被国际上称为“黄-朱模式”,已作为该领域必读文献列入许多国外专著和研究生教材。

 

“他好比现

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