國科大首期“一生一芯”計劃成果“果殼”晶片。中國科學院大學供圖
“一生一芯”計劃負責人、國科大電腦學院教授、中科院計算所先進電腦系統研究中心主任包雲崗在介紹“果殼”晶片。中國科學院大學供圖
一枚近日亮相的處理器晶片，在某知識分享平臺收穫了上千萬的熱度。
這一晶片名為“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晶片”（一種積體電路的晶片——編者注），1角硬幣般大小，百萬個嚴密排列的電晶體，每秒運作數億條指令，能成功運作Linux作業系統以及中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）教學作業系統UCAS-Core。
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製造出物理晶片——編者注）為目標，由國科大5位2016級本科生主導設計，並成功實現了“流片”，將一行行數字世界的代碼變成了能在現實世界運作的晶片。
國科大這次對晶片設計人才培養的創新實踐，也讓不少人為之一振——我國能否通過這一方式加快晶片相關人才的培養？
“能讓每位學生都能帶著自己設計的晶片畢業”
“處理器晶片被公認為晶片産業皇冠上的明珠，設計複雜度高、難度大。我國處理器晶片設計人才嚴重緊缺，如何加快此類人才的培養規模與培養速度，是我國迫在眉睫的難題。”國科大電腦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”）所長孫凝暉院士説。
針對這一現象，“一生一芯”計劃負責人、國科大電腦學院教授、中科院計算所先進電腦系統研究中心主任包雲崗分析，“這和以前我國相關産業發展不充分有關係，因為企業以整合國外晶片為主，國內市場對於晶片設計的需求並不旺盛，加上做晶片投入大、風險高，就沒有企業去往這個方向去想，選擇這一研究方向的學生也就沒那麼吃香。但是隨著國內企業實力的增強，晶片設計的需求開始快速增長，但人才供給卻嚴重不足。”
“讓學生參與到晶片設計中來，讓學生也能做處理器晶片”，包雲崗想，可以通過國科大“科教融合”這一人才培養模式降低晶片設計門檻，讓學生能設計自己的晶片並流片可大幅提高人才培養效率，“我們不能再耽誤了，要加速人才培養計劃”。
2019年8月27日，國科大正式啟動“一生一芯”計劃。這一名字是包雲崗起的，他希望有一天，能讓每一位學生都能帶著自己設計的晶片畢業，“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，就在包雲崗的辦公室開了場簡單的動員大會，制定了基於教學處理器開發的技術路線。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，晶片不可能在畢業答辯時返回。
“硅”上教學，讓學生不再害怕做晶片
“一生一芯”團隊需要跟時間賽跑，至於能不能跑得贏，包雲崗心裏“也沒底兒”。
晶片的設計、製造是個複雜的過程。首先，團隊需要基於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範，是電腦系統中硬體與軟體之間交互的規範標準。而微架構設計，就是將指令集手冊定義的功能實例化，通過工程開發變成源代碼。之後，需要通過電子設計自動化（EDA）工具將源代碼“翻譯”成晶片版圖，再將版圖提交給相應企業流片、封裝，才能獲得晶片。
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，老師不再手把手地教你，實驗環境需要自己查資料搭建，指導書和路線也需要自己確定，並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就像直接給人採摘的果園一樣，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，並且還不知道這樣能不能結出果實”。
“這相當於一次實踐課，可以把學生學過的相關知識都串起來。但有些關鍵模組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，這對他們的心態也是很大的考驗。”包雲崗説，教學團隊不僅需要給予技術指導，還要對學生的心態進行引導，“告訴他們不確定性是探索過程中的客觀規律，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”。
包雲崗強調，“一生一芯”並非要研製出産品級晶片，而是一次教學實踐，其中一個目標便是“讓學生不再害怕做晶片”，“一提起設計晶片，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，處理器晶片返回，經過調試測試驗證，晶片成功運作Linux作業系統以及學生們自己編寫的國科大教學作業系統UCAS-Core。
在今年6月的畢業答辯中，“一生一芯”團隊學生代表王華強向畢業答辯委員會演示處理器晶片的功能。他們交出了一份超出預期的本科畢業設計“答卷”，也實現了帶著自己設計的處理器晶片畢業這一目標。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-V Global Forum）接收的通知，不久將代表團隊向全球業界介紹“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的項目，開發一款高性能亂序多發射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幹，和其他博士生和工程師們一起攻堅克難。等到他們30歲時，就可以説是處理器晶片和電腦系統設計領域的‘老兵’了。”包雲崗説，那時的他們也許會去工業界研發産品，或在學術界做科研，不管怎樣，這批年輕人的未來值得期待。
孫凝暉説，“一生一芯”計劃的願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晶片設計到流片並運作作業系統的實踐課程，提高我國處理器晶片設計人才培養規模，多出人才；縮短人才從培養階段到投入科研與産業一線的週期，快出人才，力爭實現3年後在全國每年能培養500名學生，5年後實現每年培養1000名學生，10年達到每年培養1萬名學生。
在包雲崗看來，“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，不利於推廣，“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，然後再去指導學生”。
一枚近日亮相的處理器晶片，在某知識分享平臺收穫了上千萬的熱度。
這一晶片名為“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晶片”（一種積體電路的晶片——編者注），1角硬幣般大小，百萬個嚴密排列的電晶體，每秒運作數億條指令，能成功運作Linux作業系統以及中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）教學作業系統UCAS-Core。
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製造出物理晶片——編者注）為目標，由國科大5位2016級本科生主導設計，並成功實現了“流片”，將一行行數字世界的代碼變成了能在現實世界運作的晶片。
國科大這次對晶片設計人才培養的創新實踐，也讓不少人為之一振——我國能否通過這一方式加快晶片相關人才的培養？
“能讓每位學生都能帶著自己設計的晶片畢業”
“處理器晶片被公認為晶片産業皇冠上的明珠，設計複雜度高、難度大。我國處理器晶片設計人才嚴重緊缺，如何加快此類人才的培養規模與培養速度，是我國迫在眉睫的難題。”國科大電腦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”）所長孫凝暉院士説。
針對這一現象，“一生一芯”計劃負責人、國科大電腦學院教授、中科院計算所先進電腦系統研究中心主任包雲崗分析，“這和以前我國相關産業發展不充分有關係，因為企業以整合國外晶片為主，國內市場對於晶片設計的需求並不旺盛，加上做晶片投入大、風險高，就沒有企業去往這個方向去想，選擇這一研究方向的學生也就沒那麼吃香。但是隨著國內企業實力的增強，晶片設計的需求開始快速增長，但人才供給卻嚴重不足。”
“讓學生參與到晶片設計中來，讓學生也能做處理器晶片”，包雲崗想，可以通過國科大“科教融合”這一人才培養模式降低晶片設計門檻，讓學生能設計自己的晶片並流片可大幅提高人才培養效率，“我們不能再耽誤了，要加速人才培養計劃”。
2019年8月27日，國科大正式啟動“一生一芯”計劃。這一名字是包雲崗起的，他希望有一天，能讓每一位學生都能帶著自己設計的晶片畢業，“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，就在包雲崗的辦公室開了場簡單的動員大會，制定了基於教學處理器開發的技術路線。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，晶片不可能在畢業答辯時返回。
“硅”上教學，讓學生不再害怕做晶片
“一生一芯”團隊需要跟時間賽跑，至於能不能跑得贏，包雲崗心裏“也沒底兒”。
晶片的設計、製造是個複雜的過程。首先，團隊需要基於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範，是電腦系統中硬體與軟體之間交互的規範標準。而微架構設計，就是將指令集手冊定義的功能實例化，通過工程開發變成源代碼。之後，需要通過電子設計自動化（EDA）工具將源代碼“翻譯”成晶片版圖，再將版圖提交給相應企業流片、封裝，才能獲得晶片。
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，老師不再手把手地教你，實驗環境需要自己查資料搭建，指導書和路線也需要自己確定，並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就像直接給人採摘的果園一樣，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，並且還不知道這樣能不能結出果實”。
“這相當於一次實踐課，可以把學生學過的相關知識都串起來。但有些關鍵模組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，這對他們的心態也是很大的考驗。”包雲崗説，教學團隊不僅需要給予技術指導，還要對學生的心態進行引導，“告訴他們不確定性是探索過程中的客觀規律，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”。
包雲崗強調，“一生一芯”並非要研製出産品級晶片，而是一次教學實踐，其中一個目標便是“讓學生不再害怕做晶片”，“一提起設計晶片，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，處理器晶片返回，經過調試測試驗證，晶片成功運作Linux作業系統以及學生們自己編寫的國科大教學作業系統UCAS-Core。
在今年6月的畢業答辯中，“一生一芯”團隊學生代表王華強向畢業答辯委員會演示處理器晶片的功能。他們交出了一份超出預期的本科畢業設計“答卷”，也實現了帶著自己設計的處理器晶片畢業這一目標。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-V Global Forum）接收的通知，不久將代表團隊向全球業界介紹“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的項目，開發一款高性能亂序多發射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幹，和其他博士生和工程師們一起攻堅克難。等到他們30歲時，就可以説是處理器晶片和電腦系統設計領域的‘老兵’了。”包雲崗説，那時的他們也許會去工業界研發産品，或在學術界做科研，不管怎樣，這批年輕人的未來值得期待。
孫凝暉説，“一生一芯”計劃的願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晶片設計到流片並運作作業系統的實踐課程，提高我國處理器晶片設計人才培養規模，多出人才；縮短人才從培養階段到投入科研與産業一線的週期，快出人才，力爭實現3年後在全國每年能培養500名學生，5年後實現每年培養1000名學生，10年達到每年培養1萬名學生。
在包雲崗看來，“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，不利於推廣，“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，然後再去指導學生”。
