一枚近日亮相的處理器芯片，在某知識分享平臺收獲了上千萬的熱度。這一芯片名為“果殼”，是一款 64 位 RISC-V（意為第五代精簡指令集——編者注）處理器“SoC 芯片”（一種集成電路的芯片——編者注），1 角硬幣般大小，百萬個嚴密排列的晶體管，每秒運行數億條指令，能成功運行 Linux 操作系統(tǒng)以及中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）教學操作系統(tǒng) UCAS-Core。

國科大首期“一生一芯”計劃成果“果殼”芯片。中國科學院大學供圖

　　“一生一芯”計劃負責人、國科大計算機學院教授、中科院計算所先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗在介紹“果殼”芯片。中國科學院大學供圖

　　“硅”上教學，能否提速芯片人才培養(yǎng)

　　孫慶玲

　　這是國科大首期“一生一芯”計劃成果——在國內首次以“流片”（通過一系列工藝步驟制造出物理芯片——編者注）為目標，由國科大 5 位 2016 級本科生主導設計，并成功實現了“流片”，將一行行數字世界的代碼變成了能在現實世界運行的芯片。

　　國科大這次對芯片設計人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實踐，也讓不少人為之一振——我國能否通過這一方式加快芯片相關人才的培養(yǎng)？

　　“能讓每位學生都能帶著自己設計的芯片畢業(yè)”

　　“處理器芯片被公認為芯片產業(yè)皇冠上的明珠，設計復雜度高、難度大。我國處理器芯片設計人才嚴重緊缺，如何加快此類人才的培養(yǎng)規(guī)模與培養(yǎng)速度，是我國迫在眉睫的難題。”國科大計算機科學與技術學院院長、中國科學院計算技術研究所（以下簡稱“中科院計算所”）所長孫凝暉院士說。

　　針對這一現象，“一生一芯”計劃負責人、國科大計算機學院教授、中科院計算所先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗分析，“這和以前我國相關產業(yè)發(fā)展不充分有關系，因為企業(yè)以集成國外芯片為主，國內市場對于芯片設計的需求并不旺盛，加上做芯片投入大、風險高，就沒有企業(yè)去往這個方向去想，選擇這一研究方向的學生也就沒那么吃香。但是隨著國內企業(yè)實力的增強，芯片設計的需求開始快速增長，但人才供給卻嚴重不足。”

　　“讓學生參與到芯片設計中來，讓學生也能做處理器芯片”，包云崗想，可以通過國科大“科教融合”這一人才培養(yǎng)模式降低芯片設計門檻，讓學生能設計自己的芯片并流片可大幅提高人才培養(yǎng)效率，“我們不能再耽誤了，要加速人才培養(yǎng)計劃”。

　　2019 年 8 月 27 日，國科大正式啟動“一生一芯”計劃。這一名字是包云崗起的，他希望有一天，能讓每一位學生都能帶著自己設計的芯片畢業(yè)，“不管未來是不是真的能實現，這至少聽起來是一個美好的理想”。

　　那天，參加“一生一芯”計劃的首批 5 位同學和教學團隊，就在包云崗的辦公室開了場簡單的動員大會，制定了基于教學處理器開發(fā)的技術路線。此時，距離 12 月 17 日那天的流片“班車”不足 4 個月。如果錯過這趟“班車”，該團隊則需再等兩個月趕下一趟，這就意味著，芯片不可能在畢業(yè)答辯時返回。

　　“硅”上教學，讓學生不再害怕做芯片

　　“一生一芯”團隊需要跟時間賽跑，至于能不能跑得贏，包云崗心里“也沒底兒”。

　　芯片的設計、制造是個復雜的過程。首先，團隊需要基于指令集進行微架構設計。RISC-V 就是一種指令集，它類似于螺母和螺釘的尺寸規(guī)范，是計算機系統(tǒng)中硬件與軟件之間交互的規(guī)范標準。而微架構設計，就是將指令集手冊定義的功能實例化，通過工程開發(fā)變成源代碼。之后，需要通過電子設計自動化（EDA）工具將源代碼“翻譯”成芯片版圖，再將版圖提交給相應企業(yè)流片、封裝，才能獲得芯片。

　　這是國科大 2016 級本科生金越參與的第一個實際項目。讓他感受深刻的是，這樣的項目不是課程作業(yè)，老師不再手把手地教你，實驗環(huán)境需要自己查資料搭建，指導書和路線也需要自己確定，并且根據這個路線你不知道是否能做出來。“真正參與到項目中才知道課程作業(yè)就像直接給人采摘的果園一樣，但項目卻是給一片荒地和幾棵果樹苗，從開墾種植和施肥都要自己動手，并且還不知道這樣能不能結出果實”。

　　“這相當于一次實踐課，可以把學生學過的相關知識都串起來。但有些關鍵模塊的工作原理是課堂上沒有介紹過的，同學們需要進行一些探索性的嘗試，有時甚至要將此前的設計推倒重來，他們會感到焦慮或沮喪，這對他們的心態(tài)也是很大的考驗。”包云崗說，教學團隊不僅需要給予技術指導，還要對學生的心態(tài)進行引導，“告訴他們不確定性是探索過程中的客觀規(guī)律，引導他們去總結探索失敗的經驗，讓他們正確認識到探索失敗的意義”。

　　包云崗強調，“一生一芯”并非要研制出產品級芯片，而是一次教學實踐，其中一個目標便是“讓學生不再害怕做芯片”，“一提起設計芯片，學生常常有種畏難心理，覺得它很難，我們也想通過這次實踐讓他們克服這種心理”。

　　希望育才經驗能向全國輻射

　　去年 12 月 19 日，“一生一芯”團隊完成設計和投片。今年 4 月 23 日，處理器芯片返回，經過調試測試驗證，芯片成功運行 Linux 操作系統(tǒng)以及學生們自己編寫的國科大教學操作系統(tǒng) UCAS-Core。

　　在今年 6 月的畢業(yè)答辯中，“一生一芯”團隊學生代表王華強向畢業(yè)答辯委員會演示處理器芯片的功能。他們交出了一份超出預期的本科畢業(yè)設計“答卷”，也實現了帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)這一目標。7 月 22 日，王華強又收到了“果殼”被 RISC-V 領域旗艦國際會議“RISC-V 全球論壇”（RISC-VGlobalForum）接收的通知，不久將代表團隊向全球業(yè)界介紹“果殼”的設計，這也將是“果殼”首次在國際舞臺上亮相。

　　如今，這五位同學都已確定將在中科院計算所讀研，目前正在參與一個更有挑戰(zhàn)的項目，開發(fā)一款高性能亂序多發(fā)射 RISC-V 處理器核的設計。

　　“一年前他們在做‘果殼’時還有些吃力，現在已是這個新團隊中的骨干，和其他博士生和工程師們一起攻堅克難。等到他們 30 歲時，就可以說是處理器芯片和計算機系統(tǒng)設計領域的‘老兵’了。”包云崗說，那時的他們也許會去工業(yè)界研發(fā)產品，或在學術界做科研，不管怎樣，這批年輕人的未來值得期待。

　　孫凝暉說，“一生一芯”計劃的愿景目標是在國科大實踐經驗的基礎上，向全國輻射，幫助更多高校形成從處理器芯片設計到流片并運行操作系統(tǒng)的實踐課程，提高我國處理器芯片設計人才培養(yǎng)規(guī)模，多出人才；縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產業(yè)一線的周期，快出人才，力爭實現 3 年后在全國每年能培養(yǎng) 500 名學生，5 年后實現每年培養(yǎng) 1000 名學生，10 年達到每年培養(yǎng) 1 萬名學生。

　　在包云崗看來，“一生一芯”計劃向全國輻射的一大困難是，對老師的要求比較高，不利于推廣，“所以我們有可能需要同步推行‘一師一芯’，先讓老師有這樣的實踐經歷，然后再去指導學生”。

總結

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