“硅”上教学，能否提速芯片人才培养

　　国科大首期“一生一芯”计划成果“果壳”芯片。中国科学院大学供图

　　“一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中科院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗在介绍“果壳”芯片。中国科学院大学供图

　　一枚近日亮相的处理器芯片，在某知识分享平台收获了上千万的热度。

　　这一芯片名为“果壳”，是一款64位RISC-V（意为第五代精简指令集——编者注）处理器“SoC芯片”（一种集成电路的芯片——编者注），1角硬币般大小，百万个严密排列的晶体管，每秒运行数亿条指令，能成功运行Linux操作系统以及中国科学院大学（以下简称“国科大”）教学操作系统UCAS-Core。

　　这是国科大首期“一生一芯”计划成果——在国内首次以“流片” （通过一系列工艺步骤制造出物理芯片——编者注）为目标，由国科大5位2016级本科生主导设计，并成功实现了“流片”，将一行行数字世界的代码变成了能在现实世界运行的芯片。

　　国科大这次对芯片设计人才培养的创新实践，也让不少人为之一振——我国能否通过这一方式加快芯片相关人才的培养？

　　“能让每位学生都能带着自己设计的芯片毕业”

　　“处理器芯片被公认为芯片产业皇冠上的明珠，设计复杂度高、难度大。我国处理器芯片设计人才严重紧缺，如何加快此类人才的培养规模与培养速度，是我国迫在眉睫的难题。”国科大计算机科学与技术学院院长、中国科学院计算技术研究所（以下简称“中科院计算所”）所长孙凝晖院士说。

　　针对这一现象，“一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中科院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗分析，“这和以前我国相关产业发展不充分有关系，因为企业以集成国外芯片为主，国内市场对于芯片设计的需求并不旺盛，加上做芯片投入大、风险高，就没有企业去往这个方向去想，选择这一研究方向的学生也就没那么吃香。但是随着国内企业实力的增强，芯片设计的需求开始快速增长，但人才供给却严重不足。”

　　“让学生参与到芯片设计中来，让学生也能做处理器芯片”，包云岗想，可以通过国科大“科教融合”这一人才培养模式降低芯片设计门槛，让学生能设计自己的芯片并流片可大幅提高人才培养效率，“我们不能再耽误了，要加速人才培养计划”。

　　2019年8月27日，国科大正式启动“一生一芯”计划。这一名字是包云岗起的，他希望有一天，能让每一位学生都能带着自己设计的芯片毕业，“不管未来是不是真的能实现，这至少听起来是一个美好的理想”。

　　那天，参加“一生一芯”计划的首批5位同学和教学团队，就在包云岗的办公室开了场简单的动员大会，制定了基于教学处理器开发的技术路线。此时，距离12月17日那天的流片“班车”不足4个月。如果错过这趟“班车”，该团队则需再等两个月赶下一趟，这就意味着，芯片不可能在毕业答辩时返回。

　　“硅”上教学，让学生不再害怕做芯片

　　“一生一芯”团队需要跟时间赛跑，至于能不能跑得赢，包云岗心里“也没底儿”。

　　芯片的设计、制造是个复杂的过程。首先，团队需要基于指令集进行微架构设计。RISC-V就是一种指令集，它类似于螺母和螺钉的尺寸规范，是计算机系统中硬件与软件之间交互的规范标准。而微架构设计，就是将指令集手册定义的功能实例化，通过工程开发变成源代码。之后，需要通过电子设计自动化（EDA）工具将源代码“翻译”成芯片版图，再将版图提交给相应企业流片、封装，才能获得芯片。

　　这是国科大2016级本科生金越参与的第一个实际项目。让他感受深刻的是，这样的项目不是课程作业，老师不再手把手地教你，实验环境需要自己查资料搭建，指导书和路线也需要自己确定，并且根据这个路线你不知道是否能做出来。“真正参与到项目中才知道课程作业就像直接给人采摘的果园一样，但项目却是给一片荒地和几棵果树苗，从开垦种植和施肥都要自己动手，并且还不知道这样能不能结出果实”。

　　“这相当于一次实践课，可以把学生学过的相关知识都串起来。但有些关键模块的工作原理是课堂上没有介绍过的，同学们需要进行一些探索性的尝试，有时甚至要将此前的设计推倒重来，他们会感到焦虑或沮丧，这对他们的心态也是很大的考验。”包云岗说，教学团队不仅需要给予技术指导，还要对学生的心态进行引导，“告诉他们不确定性是探索过程中的客观规律，引导他们去总结探索失败的经验，让他们正确认识到探索失败的意义”。

　　包云岗强调，“一生一芯”并非要研制出产品级芯片，而是一次教学实践，其中一个目标便是“让学生不再害怕做芯片”，“一提起设计芯片，学生常常有种畏难心理，觉得它很难，我们也想通过这次实践让他们克服这种心理”。

　　希望育才经验能向全国辐射

　　去年12月19日，“一生一芯”团队完成设计和投片。今年4月23日，处理器芯片返回，经过调试测试验证，芯片成功运行Linux操作系统以及学生们自己编写的国科大教学操作系统UCAS-Core。

　　在今年6月的毕业答辩中，“一生一芯”团队学生代表王华强向毕业答辩委员会演示处理器芯片的功能。他们交出了一份超出预期的本科毕业设计“答卷”，也实现了带着自己设计的处理器芯片毕业这一目标。7月22日，王华强又收到了“果壳”被RISC-V领域旗舰国际会议“RISC-V全球论坛”（RISC-V Global Forum）接收的通知，不久将代表团队向全球业界介绍“果壳”的设计，这也将是“果壳”首次在国际舞台上亮相。

　　如今，这五位同学都已确定将在中科院计算所读研，目前正在参与一个更有挑战的项目，开发一款高性能乱序多发射RISC-V处理器核的设计。

　　“一年前他们在做‘果壳’时还有些吃力，现在已是这个新团队中的骨干，和其他博士生和工程师们一起攻坚克难。等到他们30岁时，就可以说是处理器芯片和计算机系统设计领域的‘老兵’了。”包云岗说，那时的他们也许会去工业界研发产品，或在学术界做科研，不管怎样，这批年轻人的未来值得期待。

　　孙凝晖说，“一生一芯”计划的愿景目标是在国科大实践经验的基础上，向全国辐射，帮助更多高校形成从处理器芯片设计到流片并运行操作系统的实践课程，提高我国处理器芯片设计人才培养规模，多出人才；缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期，快出人才，力争实现3年后在全国每年能培养500名学生，5年后实现每年培养1000名学生，10年达到每年培养1万名学生。

　　在包云岗看来，“一生一芯”计划向全国辐射的一大困难是，对老师的要求比较高，不利于推广，“所以我们有可能需要同步推行‘一师一芯’，先让老师有这样的实践经历，然后再去指导学生”。