◎作者 | 科技日報記者 張蓋倫

◎編輯 | 陳磊

科技日報·深瞳工作室出品

“如何評價中國科學院大學（以下簡稱國科大）‘一生一芯’計劃？”

在某問答網站上，這個問題獲得了超千萬的關注熱度。

五位本科生，主導完成了一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計并實現流片。這款芯片，被稱作他們的 “最硬核畢業(yè)證書”。

和芯片有關的新聞，總能牽動國人的心。

而當主角成為幾個“帶芯畢業(yè)”二十出頭的年輕人，就更加引人好奇。

網上的聲音多種多樣，有人鼓掌，有人唱衰，有人將它和中國芯片產業(yè)聯系起來，寫了洋洋灑灑長篇分析。

如今，五位學生已經開始了新的工作。他們正在深圳，參與新的更高性能芯片的設計。

8月中旬，他們還多了個新身份——第二期“一生一芯”計劃的助教。

本科生做芯片，天方夜譚嗎？

芯片是今年五月底快遞到王華強家的。

它大概一角硬幣大小，上面刻著 “COOSCA-01”和“一生一芯”的字樣，還有國科大的Logo。

COOSCA是一個內部代號，是國科大計算機科學與技術學院的三門課程——計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機架構的縮寫。“一生一芯”則是計劃的名字，意思是讓每位本科生帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)。

受新冠肺炎疫情影響，今年國科大的本科畢業(yè)答辯在線上進行。

學生王華強代表“一生一芯”團隊，向答辯委員會的老師遠程展示了芯片。

他把芯片裝上測試板，用串口線將測試板與電腦連接，打開電腦上的終端軟件，按下測試板上的復位鍵，運行了幾個簡單的程序——Linux系統(tǒng)跑起來了。

王華強在遠程畢業(yè)答辯時展示芯片運行過程。圖源：包云崗知乎回答

然而，去年夏天，“一生一芯”計劃參與者張紫飛第一次聽到該計劃時的第一反應卻是“天方夜譚吧”。

讓幾個本科生用幾個月時間，設計出一枚能夠運行Linux這樣復雜操作系統(tǒng)的芯片，可能嗎？

“一生一芯”計劃負責人、國科大計算機學院教授、中國科學院計算技術研究所先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗則覺得，在開源時代，將芯片設計的門檻降下來，是可能的。

包云崗對2008年至2017年計算機體系結構國際頂級會議論文第一作者做過分析，只有4%來自中國的高校和科研院所。

中國的處理器芯片設計界，缺人。

開放指令集RISC-V與芯片敏捷開發(fā)語言Chisel，能使開發(fā)效率數量級提升。

RISC-V，正是包云崗近幾年的研究重心。這一指令集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。

2018年時，包云崗就隱約意識到，RISC-V對人才培養(yǎng)會有幫助。2019年5月，華為被美國商務部列入實體名單，人才危局必須盡快找到出路。包云崗迅速將他模糊的想法細化：讓學生學習并實踐芯片敏捷設計方法，通過大學流片計劃完成芯片制造。

2019年8月，“一生一芯”計劃正式啟動。這是一次教學實踐。

國科大校領導認為，它會掀起本科教學改革的新篇章。

五位參與的學生是金越、王華強、王凱帆、張林雋和張紫飛。

他們都是國科大計算機科學與技術學院2016級本科生，那時也都已通過了中國科學院計算技術研究所的保研夏令營，成為首批吃螃蟹的人。

踩坑、挖坑，再從坑里爬出來

其實，在他們們面前的，是一條未有人走過的路。

沒有導航，他們需要自己打怪升級，自己試錯嘗試。

當然，他們也并非是在白紙上作畫。

教師團隊已經制定了總體方案，確定了技術路線，選擇好了基礎平臺，搭建了開發(fā)環(huán)境，也選定了流片工藝和班車。

五位學生真正動手之前，一支實力強大的教師團隊，為學生的乘風破浪，做好了保駕護航的準備。

做芯片，其實分為前端和后端。前端主要是做設計，用數字電路的方式實現處理器的功能；后端則是用物理元件來實現這些設計。

“要說芯片都是我們做的，并不準確。其實我們只是做了前端的邏輯設計部分。”王凱帆強調。

他嘗試用最通俗的語言向科技日報記者解釋設計芯片是怎么一回事——類似于畫一張大樓的施工圖紙。只不過，呈現這張圖紙，用的不是線條，而是一種叫做Chisel的硬件語言。

此前，包云崗團隊中的博士生余子濠為南京大學開發(fā)了一款教學用RISC-V處理器，“一生一芯”計劃的學生要在此基礎上進行改進，把師兄搭建的房子，改建得更舒服、更亮堂。

包云崗說，在實際產品研發(fā)和科研工作中，也往往不是從頭開始，更多是在已有基礎上，增加新功能，提高性能。“這培養(yǎng)的是學生‘理解—消化—創(chuàng)新’的能力。”

大家采用了當下流行的“敏捷開發(fā)”模式：每人負責一個或幾個模塊，齊頭并進，多線推進，然后合龍。

芯片設計開發(fā)歷程。圖源：包云崗知乎問答

“一生一芯”計劃的目標很明確：在芯片上運行Linux系統(tǒng)，支持基本的輸入輸出設備。

先解決“能不能”“對不對”的問題，再來看“快不快”“好不好”。

對新手施工設計團隊來說，他們蓋的第一棟房子，要保證的是屹立不倒。

從2019年8月正式動手設計，到12月中旬交付設計圖紙，五人組踩過坑，給別人挖過坑，也掙扎著從坑里爬出來過。

他們曾熬夜和不知躲在哪里的錯誤死磕，還要對抗可能拖延隊友進度的焦慮。

團隊成員金越負責的是片上系統(tǒng)。

除了中央處理器，在系統(tǒng)內還有五個控制器來實現具體功能。

這些控制器的代碼是由開源社區(qū)提供的，但團隊并不清楚這些控制器是否適合他們設計的這款芯片。

金越需要編寫驅動軟件，測試外設控制器是否設置正確，能否正常工作。

“要是出現問題就很麻煩了。到底是我的軟件寫錯了，還是外設控制器本身有問題？如果是外設控制器有問題，到底是哪個有問題？”

變量太多，排列組合下來，測試復雜得讓人頭疼。

“做驗證的那幾天，幾乎沒怎么睡過覺。”金越半夜對著電腦，查手冊，查代碼，查波形，懷著點“我就不信邪”的不忿：“我一定要把這個東西弄出來。”

尋找問題究竟出在哪，是幾乎每個計劃參與者都會提到的“痛苦”經歷，常常是 “按下葫蘆起了瓢”。

作為團隊唯一的女將，張林雋負責的部分是預取器。

你進入了一間圖書館，想找到一本書。靠你最近的書架，能放的書最少；而更深處的書架，放的書更多，但你走過去的耗時也長。預取器好比那位了解你喜好的圖書管理員，他提前將他認為你會拿的書放在離你最近的書架，節(jié)省你的查找時間。

“在實現這個功能的時候，我想當然地認為，預取器應該放在L1 Cache也就是一級緩存內。”

一級緩存，相當于那個離你更近的但是容量更少的書架。但奇怪的是，加入預取器后，芯片的性能反而受到了影響，芯片的信息處理速度變慢了。

她花了一個月的時間來找問題，一個一個排查、修改和調試。后來，張林雋被提醒說，可能是預取器放置的位置不對。“哎，很崩潰，之前寫的東西就沒用了，又要重來。”將預取器挪到二級緩存后，困擾她一個月的問題終于消失了。

在真正動手之前，沒人想過，問題竟然會在這等著他們。

參與“一生一芯”計劃的五位學生，從左至右依次為王華強、張林雋、金越、王凱帆和張紫飛

“我們只是知道了從山底到半山腰的路怎么走”

2019年12月，這款芯片的設計版圖正式提交，基于中芯國際110nm工藝完成投片。

平時上課或者比賽，學生也需要從零開始完成一次芯片設計。但在課堂實踐中，并不需要測試得太完備，只要設計出的芯片能通過老師給的幾個測試點，就算成功。在“一生一芯”計劃中，沒有這些被預先設計好的“測試點”。你必須考慮全面，細心謹慎。

無可否認的是，壓力更大。

此前的芯片設計，更像是“紙上談兵”，成功了固然好，失敗了好像也無所謂。但是這次，投入真金白銀去流片，能不能用，幾個月的努力會不會打水漂，流片后就能見分曉。

這是第一期“一生一芯”計劃，大家都希望能開個好頭。等待的日子，他們忐忑又興奮。

2020年4月23日，學生們從微信群里得知，他們親手設計的處理器芯片返回了。

但這并不是終點，還需要進行測試驗證。

“從底層PCB版圖、內存顆粒到中間處理器設計、再到上層操作系統(tǒng)、應用軟件，每個層次都可能出問題。哪怕一個小問題，都會造成芯片無法正常工作。”包云崗說。

這段測試經歷，同樣也是一波三折，甚至有點戲劇性。

芯片回來后，團隊里的老師們上手測試了幾顆，結果芯片真的就是塊“磚”，沒有任何輸出。一陣忙亂后他們才發(fā)現，原來是主板上的一根電源線接錯了，芯片“出師未捷身先死”，被燒壞了。

后來，又因為一個串口時鐘頻率設置問題，芯片性能始終不正常。折騰了一段時間，芯片才被調整到最佳狀態(tài)。

6月2日，在畢業(yè)答辯現場，王華強展示了芯片的工作流程。

后來，王凱帆還將國科大操作系統(tǒng)課程上同學們自己編寫的UCAS-Core移植到了COOSCA核上，用自己寫的CPU，運行了自己寫的操作系統(tǒng)。

到深圳后，張紫飛才第一次看到自己設計的芯片。

“第一次看到時就覺得，這芯片比我們想象得小啊，好像還有點簡陋。”張紫飛開玩笑道，“但是母不嫌兒丑嘛。”

國科大的學生將自己的母校簡稱為“果殼”，所以，果殼（nutshell）也就成了“一生一芯”計劃首款芯片的正式名字。

王華強在今年7月RISC-V年中技術研討會上介紹了果殼的設計細節(jié)和開發(fā)過程中的經驗體會。

9月3日，王華強將代表團隊向全球同行介紹“果殼”的設計，這也將是“果殼”首次在國際舞臺上亮相。

“國科大學生硬核畢業(yè)證書”一度成為網上的熱議話題，但被當成“大神”膜拜的幾位學生，無意將這一項目做過多拔高。

金越打了個比方：“現在，我們只是知道了從山底到半山腰的路有多難走，還不知道從半山腰到山頂的路有多難走。”

也正是因為攀過山、爬過坡，學生們知道自己都是新兵，經驗和能力上都有欠缺，還需淬煉。

“一生一芯”計劃負責人、中科院計算所研究員包云崗在講解芯片。受訪者供圖

他們的平均年齡，只有21.8歲。

包云崗說，等他們30歲時，就可以說已經是處理器芯片和計算機系統(tǒng)設計領域的“老兵”了。無論他們是進入業(yè)界還是學界，創(chuàng)造力會得到更大的發(fā)揮和展現。“我對這批年輕人的未來充滿期待。”

“一生一芯”計劃二期已經啟動。

據包云崗介紹，二期的學生增加到13位。除了國科大外，還有來自浙江大學、南京大學、西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學（深圳）和美國密歇根州立大學等五所高校的同學。

獨家：“帶芯畢業(yè)”五虎將自述

參與“一生一芯”計劃的五位學生，從左至右依次為王華強、張林雋、金越、王凱帆和張紫飛

金越（在項目中負責外設IP核的驗證工作）

我比較喜歡“逆境生長”，就是遇到事情越困難，得到的成長也就會越大，所以比較喜歡挑戰(zhàn)自己，這可能也是能走到今天這一步的原因之一吧。當然我也不是勤奮刻苦到極點。吹著空調看著劇，吃著火鍋唱著歌也是喜歡的。

想對參與“一生一芯”計劃二期的同學說：不要害怕出錯，在這個項目中，你可能會給別人挖坑，也會跳進別人給你挖的坑，但這些都是再正常不過的事。就像老師說的，要想不寫B(tài)UG，除非不寫代碼。在一次次踩坑匯總，你的系統(tǒng)能力才會被逐漸地鍛煉出來。

王華強（在項目中負責主流水線的設計）

愛好看游戲直播、打游戲、吃甜食和摸魚。

想對參與“一生一芯”計劃二期的同學說：希望下一屆更加后浪，把我們的設計打在沙灘上。

王凱帆（在項目中負責參數可配置化以及開源社區(qū)的維護工作）

我個人性格可能較為溫和，但有一顆非常躁動的心。目前主業(yè)在系統(tǒng)結構方向，但我也喜歡做一些應用層的小軟件、App等。在學業(yè)和工作之余，我熱愛各種風格的搖滾音樂和獨立音樂，也曾嘗試自己編曲。

想對參與“一生一芯”計劃二期的同學說：一個人的發(fā)展，既要看個人的奮斗，也要考慮歷史的進程，有了“一生一芯”這樣的一個好的平臺，希望你們能夠充分地發(fā)揮自己的能力和想象力，給本科生涯增添一抹閃亮的色彩。

張林雋（在項目中負責二級緩存及預取模塊）

愛好廣泛，電子琴鋼琴追電視劇都很喜歡，但最喜歡的還是吃。唯一的特長是身高特長（女生，177cm——記者注），石景山玉泉路當之無愧的熬夜冠軍（我自封的）。

想對參與“一生一芯”計劃二期的同學說：你們真的很優(yōu)秀哦，相信自己沒有什么坎是邁不過去的。

張紫飛（在項目中負責TLB模塊，即將虛擬地址轉換為物理地址）

受高中習慣影響，每日五至六點醒來，而后睡回籠覺，每日必午睡加晚睡，否則精神便飄渺不定。

總是想嘗試未嘗試過的東西，但每每驚詫于專于此項的朋友同學技術之精湛，而失去進一步努力的動力。

總是喜歡發(fā)呆，最愜意的便是沒有任務沒有壓力時，從午睡中醒來，一直發(fā)呆到晚上。

以什么都會、總是充滿熱情的師兄老師為榜樣，但是害怕成為不了這樣的人，所以要一直努力。

想對參與“一生一芯”計劃二期的同學說：要對未知的事情有熱情，有好奇心，只要花時間，任何目標都是可以完成的，任何困難都是可以克服的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的五位本科生4个月造出芯片毕业！后来怎样了呢？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。