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(gè)嚴(yán)密排列的晶體管，每秒運(yùn)行數(shù)億條指令，能成功運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)以及中國科學(xué)院大學(xué)（以下簡稱“國科大”）教學(xué)操作系統(tǒng) UCAS-Core。

國科大首期“一生一芯”計(jì)劃成果“果殼”芯片。中國科學(xué)院大學(xué)供圖

　　“一生一芯”計(jì)劃負(fù)責(zé)人、國科大計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、中科院計(jì)算所先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任包云崗在介紹“果殼”芯片。中國科學(xué)院大學(xué)供圖

　　“硅”上教學(xué)，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(jì)劃成果——在國內(nèi)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(biāo)，由國科大 5 位 2016 級本科生主導(dǎo)設(shè)計(jì)，并成功實(shí)現(xiàn)了“流片”，將一行行數(shù)字世界的代碼變成了能在現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行的芯片。

　　國科大這次對芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)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(guān)人才的培養(yǎng)？

　　“能讓每位學(xué)生都能帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)”

　　“處理器芯片被公認(rèn)為芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高、難度大。我國處理器芯片設(shè)計(jì)人才嚴(yán)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長、中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院計(jì)算所”）所長孫凝暉院士說。

　　針對這一現(xiàn)象，“一生一芯”計(jì)劃負(fù)責(zé)人、國科大計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、中科院計(jì)算所先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任包云崗分析，“這和以前我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不充分有關(guān)系，因?yàn)槠髽I(yè)以集成國外芯片為主，國內(nèi)市場對于芯片設(shè)計(jì)的需求并不旺盛，加上做芯片投入大、風(fēng)險(xiǎn)高，就沒有企業(yè)去往這個(gè)方向去想，選擇這一研究方向的學(xué)生也就沒那么吃香。但是隨著國內(nèi)企業(yè)實(shí)力的增強(qiáng)，芯片設(shè)計(jì)的需求開始快速增長，但人才供給卻嚴(yán)重不足。”

　　“讓學(xué)生參與到芯片設(shè)計(jì)中來，讓學(xué)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(shè)計(jì)門檻，讓學(xué)生能設(shè)計(jì)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(jì)劃”。

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

　　那天，參加“一生一芯”計(jì)劃的首批 5 位同學(xué)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)，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(xué)處理器開發(fā)的技術(shù)路線。此時(shí)，距離 12 月 17 日那天的流片“班車”不足 4 個(gè)月。如果錯過這趟“班車”，該團(tuán)隊(duì)則需再等兩個(gè)月趕下一趟，這就意味著，芯片不可能在畢業(yè)答辯時(shí)返回。

　　“硅”上教學(xué)，讓學(xué)生不再害怕做芯片

　　“一生一芯”團(tuán)隊(duì)需要跟時(shí)間賽跑，至于能不能跑得贏，包云崗心里“也沒底兒”。

　　芯片的設(shè)計(jì)、制造是個(gè)復(fù)雜的過程。首先，團(tuán)隊(duì)需要基于指令集進(jìn)行微架構(gòu)設(shè)計(jì)。RISC-V 就是一種指令集，它類似于螺母和螺釘?shù)某叽缫?guī)范，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與軟件之間交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。而微架構(gòu)設(shè)計(jì)，就是將指令集手冊定義的功能實(shí)例化，通過工程開發(fā)變成源代碼。之后，需要通過電子設(shè)計(jì)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(yīng)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(gè)實(shí)際項(xiàng)目。讓他感受深刻的是，這樣的項(xiàng)目不是課程作業(yè)，老師不再手把手地教你，實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要自己查資料搭建，指導(dǎo)書和路線也需要自己確定，并且根據(jù)這個(gè)路線你不知道是否能做出來。“真正參與到項(xiàng)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(xiàng)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(jié)出果實(shí)”。

　　“這相當(dāng)于一次實(shí)踐課，可以把學(xué)生學(xué)過的相關(guān)知識都串起來。但有些關(guān)鍵模塊的工作原理是課堂上沒有介紹過的，同學(xué)們需要進(jìn)行一些探索性的嘗試，有時(shí)甚至要將此前的設(shè)計(jì)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(yàn)。”包云崗說，教學(xué)團(tuán)隊(duì)不僅需要給予技術(shù)指導(dǎo)，還要對學(xué)生的心態(tài)進(jìn)行引導(dǎo)，“告訴他們不確定性是探索過程中的客觀規(guī)律，引導(dǎo)他們?nèi)タ偨Y(jié)探索失敗的經(jīng)驗(yàn)，讓他們正確認(rèn)識到探索失敗的意義”。

　　包云崗強(qiáng)調(diào)，“一生一芯”并非要研制出產(chǎn)品級芯片，而是一次教學(xué)實(shí)踐，其中一個(gè)目標(biāo)便是“讓學(xué)生不再害怕做芯片”，“一提起設(shè)計(jì)芯片，學(xué)生常常有種畏難心理，覺得它很難，我們也想通過這次實(shí)踐讓他們克服這種心理”。

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