5 位中國本科生，以前所未有的方式迎來畢業季。他們帶著一顆自研芯片，從中國科學院大學（下稱國科大）畢業。

　　圖左起金越、王華強、王凱帆、張林雋、張紫飛

　　7 月 25 日，中國科學院大學公布首期 “一生一芯” 計劃成果，由國科大 2016 級計算機學院本科生王華強、金越、王凱帆、張林雋和張紫飛等 5位同學，主導完成一款名為 “果殼（NutShell）” 的 64 位 RISC-V 處理器 SoC 芯片設計并實現流片，該芯片已可以運行在 Linux 操作系統、以及學生自己編寫的國科大教學操作系統 UCAS-Core 中。

　　圖 “果殼”芯片（來源：國科大）

　　據悉，“果殼”于 2019 年 12 月 19 日完成設計，并基于中芯國際 110nm 工藝完成投片。2020 年 4 月 23 日，“果殼”返回后，經過調試、測試和驗證后，首次實現順利運行。

　　圖 “果殼”芯片返回樣片

　　2020 年 6 月 2 日，王華強同學代表 “一生一芯” 團隊，向國科大畢業答辯委員會演示 “果殼” 的功能，5 位同學最終交出一份超預期的本科畢業設計 “答卷”，這標志著首期“一生一芯” 計劃取得成功。

　　圖 “果殼” 芯片展示

　　參與該項目的 5 位同學，相關課程成績多數在 90 分以上。其中，王華強還是 “龍芯杯” 全國大學生計算機系統能力培養大賽的一等獎得主。

　　“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研究中心主任包云崗告訴 DeepTech，“一生一芯”計劃萌芽于 2018 年烏鎮世界互聯網大會。在本次大會上，為推動建立世界共享的開源芯片生態，中國開放指令生態（RISC-V）聯盟成立。

　　擔任該聯盟秘書長的包云崗，開始思考該如何構建開源芯片生態。由于中國處理器芯片設計人才嚴重緊缺，他意識到教學是開源芯片生態最好的應用場景之一。

　　2019 年 8 月 27 日，“開學日”的前幾天，國科大正式啟動”一生一芯”計劃。該計劃得到國科大李樹深校長、王艷芬常務副校長等校領導及本科部的高度重視，該校累計召集 5 個以上部門，來協調支持該計劃。

　　圖包云崗展示“果殼”

　　包云崗表示，上述同學畢業后，都將在中科院計算所讀研，并參與一個更有挑戰性的項目，他們將在未來參與一款高性能亂序多發射 RISC-V 處理器核的設計。

　　

　　圖部分同學的學士學位論文　　

　　7 月 27 日凌晨，包云崗在回顧“果殼”的文章中寫道，這支隊伍平均年齡只有 23.1 歲，但他們表現出來的戰斗力卻是驚人的——不到三周就從 0 到 1 完成了亂序處理器主流水線的設計、實現、并通過了 CoreMark 測試。等到他們 30 歲時，就能成長為處理器芯片和計算機系統設計領域的“老兵”。

　　像開發 App 一樣做芯片

　　據了解，本次芯片起名叫 “果殼”，是因為它的發音與“國科” 相同。

　　包云崗告訴 DeepTech，“果殼”的最高工作頻率是 350MHz，CoreMark 測試跑分為 1.49/MHz。雖然和商業處理器相比仍有一定差距，但 “果殼” 已經是功能較為完整的 RISC-V 處理器。

　　本次流片的處理器，使用 Chisel 語言作為編程語言。目前很少有國內高校，在本科教學中引入 Chisel，正因為使用 Chisel 語言，學生才能在短期內實現出功能完整度較高的處理器。

　　西南交通大學信息學院電子工程系副系主任邸志雄博士，就此評論稱：“使用 Chisel 語言做芯片，非常值得其他高校在相關課程教學中借鑒和深思。”

　　不過，嚴格意義上來說，“果殼”是一款教學芯片，而非產品芯片。后者需要實現功能、穩定性、功耗等多個目標，其開發和驗證更復雜、周期也更長。

　　而教學芯片只需完成功能目標，對穩定性和成本等基本不做要求。邸志雄也認為，“一生一芯”的定位是服務于本科教學，因此不能將評價科研成果的 “創新”“前沿”“領先” 等詞匯，套用于“果殼”芯片。

　　參與芯片研發的唯一一位女生張林雋同學也表示：“先完成，后完美。一定要勇敢地試錯，我們只要邁出第一步，接下來其實都是順其自然的。”

　　圖 5 位同學展示“果殼”（來源：國科大）

　　正因為是教學芯片，所以校方也充分兼顧到成本。據包云崗介紹，首期芯片流片成本每位學生約為 5 萬元。此外，他們也正在研究新技術架構，成本更低之后，推廣起來也更方便。

　　“果殼”流片采用 110nm 工藝流片。以常用的 0.18μm 工藝為例，采用 MPW（多項目晶圓）的方式來流片，最小面積 5*5 平方毫米，流片加封裝的費用大致在 25 萬元左右。而教學流片的芯片，一般功能都不復雜、面積也很小，25 平方毫米足以容納 10 顆左右的芯片。

　　并且，流片也是培養集成電路設計人才的最好方式。邸志雄分析稱，學生在流片中除掌握必要技能外，還需綜合考慮性能、成本、功耗之間的指標權衡，而這能進一步加深學生對知識的融會貫通。

　　更重要的是，流片過程非常嚴謹，無論多么細心都不過分。故此也可以看到，學生們做的電路設計、技術文檔撰寫都非常規范。

　　目前，“果殼”的設計投稿，也已經被 RISC-V 全球論壇接收。王華強同學將代表團隊，于近期向全球業界介紹該芯片，屆時 “果殼” 將首次在國際舞臺上亮相。

　　圖 “果殼”芯片設計投稿被被 RISC-V 全球論壇收錄

　　本次 RISC-V 全球論壇的報告，均來自世界各地的業界資深專家，其中包括圖靈獎得主大衛 · 帕特森（David Patterson）教授。因此，等待 “果殼” 的將是更大的舞臺。

　　此外，“果殼”的設計源代碼已經在 GitHub 開源：https://github.com/OSCPU/NutShell

　　為什么開源設計源代碼？

　　說到做芯片，學生的第一反應就是——難，他們本能地想繞開這根硬骨頭。怎樣降低芯片開發的門檻，包云崗找到的方法，是開源。

　　近年來一直研究 RISC-V 的包云崗發現，RISC-V 與芯片敏捷開發語言 Chisel，能使開發效率數量級提升。RISC-V 還可以自由地用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售 RISC-V 芯片和軟件。

　　2019 年 5 月，華為被美國商務部列入 “實體名單”，相關人才危機必須盡快找到出路。于是，包云崗迅速將模糊的想法細化，并在“一生一芯” 計劃落地實施。

　　圖 “果殼”芯片開發歷程

　　可能有人認為，中國芯片技術正在努力攀登，在此情況下設計源代碼不是應該保護起來嗎？

　　對此包云崗解釋稱，從整個技術生態角度考慮，降低芯片設計門檻具有重要意義。而開源是降低芯片設計門檻的有效手段之一。

　　其原因在于，芯片設計過程與軟件開發有很多相似之處。自 20 世紀 80 年代以來，Verilog/VHDL 這兩項硬件描述語言與綜合器技術，逐漸趨于成熟，用編程語言編寫代碼，成為芯片設計的重要過程。

　　因此，借鑒開源軟件的成功理念，將處理器芯片的設計代碼開源，有望大幅降低芯片開發的門檻，不僅開發成本可從從幾千萬甚至上億元、降低至幾百萬甚至幾十萬元， 整個芯片及硬件開發周期，也將從從幾年、降低至幾個月。

　　包云崗認為，“開源就是公開源代碼”的片面觀念需要轉變。事實上，處理器開源并不僅僅是將源碼公開，而是一種對處理器設計方法的變革，這需要大量基礎研究。

　　如果中國能主導開源芯片生態的構建，將有助于提升中國在半導體芯片領域的人才儲備、供應鏈安全、技術自主能力與國際競爭力。

　　降低芯片設計門檻，可大幅提高人才培養效率

　　當前，中國前端芯片架構設計人才缺口大，但人才培養卻沒有跟上，國內甚至出現芯片公司互挖墻腳的尷尬現象。

　　包云崗曾在一篇文章中表示，中國芯片 “卡脖子” 問題的根源，在于優秀人才儲備嚴重不足。

　　他曾參與統計芯片架構研究優秀人才（以計算機體系結構頂級會議 ISCA 論文第一作者作為采樣樣本）的畢業去向。結果顯示，2008 年到 2017 年十年間 85% 的芯片優秀人才選擇在美國就業，僅有 4% 在中國就業。主要原因正是因為當前芯片設計門檻過高，導致國內高校無法開展芯片相關教學與研究。

　　圖 ISCA2008~2017 年論文一作情況

　　事實上，美國也曾經歷過上述人才危機。1982 年，全美上千所大學中只有不到 100 位教授和學生從事半導體相關研究 。

　　為應對人才危機，美國國防部高級研究計劃局于 1981 年啟動 MOSIS 項目（Metal Oxide Semiconductor Implementation Service），并為大學提供流片服務，通過 MPW 模式大幅降低芯片設計門檻。

　　30 余年來，MOSIS 為大學和研究機構制備出 60000 多款芯片，培養了數萬名學生。因此，降低芯片設計門檻，可大幅提高人才培養效率。

　　而 “一生一芯” 計劃，正是為了加快芯片人才的培養規模與培養速度。據包云崗介紹，該計劃的課程設計理念，在全球范圍內屬于先進行列。

　　參與“果殼”研發的王凱帆也表示：“這個項目和之前的課程實驗最大的不同在于沒有實驗手冊，沒有先導者給你一步步鋪好路，而是要自己去探索。”

　　全球其他高校有沒有類似課程

　　包云崗介紹稱，2017 年春，加州大學伯克利分校開設一門新課 EE194/290C ：28nm SoC for IoT。其目標是要設計一款 SoC 芯片。這門課以流片為目標，由 9 位本科生與 1 位研究生參加，一學期后完成了流片，但該校未能證明芯片是否可以正常工作。

　　“一生一芯”與上述課程的不同之處，在于本科生直接設計一款 64 位 RISC-V 處理器，并且能運行 Linux 操作系統。而加州大學伯克利分校EE194/290C 這門課只是根據已有的 RISC-V 核和其他 IP 核進行 SoC 集成。

　　一直關注該課程計劃的邸志雄，認為 “一生一芯” 有三大亮點：

　　在深度方面，“果殼”不僅完成了處理器設計、操作系統移植、芯片設計和物理實現的集成電路縱向設計流程，還集成了計算機體系結構領域中的多門知識。相比傳統教學中幾門相互獨立的課程，“一生一芯”能讓學生更系統更深入地掌握知識。并且，每個階段的知識體系都較為完整，比如“果殼”采用多級流水線設計，并包含完整的緩存、總線和外設等。單從處理器體系結構設計的本科教學來講，已經是很完整的作品。

　　在廣度方面，“一生一芯”是計算機體系結構、與數字集成電路設計的良好結合，除學習計算機知識，學生還需掌握集成電路設計專業的知識，如 EDA 工具使用、數字芯片前端設計與后端實現等。

　　在教學方面，課程與實驗設計盡顯開源情懷。“一生一芯”支持學生使用開源處理器和開源 EDA 工具，作品也在 GitHub 開源。在當前大環境下，鼓勵和引導學生使用開源 EDA 工具，也是一種 “家國情懷” 的體現。

　　

　　圖 “一生一芯” logo

　　“一生一芯”，是包云崗起的名字，寓意是希望每個學生都能帶著自己設計的芯片畢業。他說：“不管是否真的可以實現，至少聽起來是一個美好的理想，而且還有一點爛漫。”

　　在中國芯片攀登的過程中，這樣的命名也可以激勵更多人才投身芯片研發。即用盡一生，做好芯片。

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　　參考：

　　http://wap.sciencenet.cn/blog-414166-1203989.html?mobile=1

　　https://www.zhihu.com/question/409298856/answer/1363569013

　　https://article.xuexi.cn/articles/index.html?part_id=14745402656927210005&art_id=14745402656927210005&item_id=14745402656927210005

總結

以上是生活随笔為你收集整理的国内首例带“芯”毕业！国科大5位本科生超硬核毕业证曝光的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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