“硅”上教學(xué)，讓學(xué)生不再害怕做芯片

一枚近日亮相的處理器芯片，在某知識(shí)分享平臺(tái)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(jiǎn)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(jiǎn)稱“國科大”)教學(xué)操作系統(tǒng)UCAS-Core。

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(jí)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(duì)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(zhǎng)、中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱“中科院計(jì)算所”)所長(zhǎng)孫凝暉院士說。

針對(duì)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(chǎng)對(duì)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(zhǎng)，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(dòng)“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(chǎng)簡(jiǎn)單的動(dòng)員大會(huì)，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(cuò)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(cè)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(dòng)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(jí)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(dòng)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(shí)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(huì)感到焦慮或沮喪，這對(duì)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(duì)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(shí)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(jí)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”。

希望育才經(jīng)驗(yàn)?zāi)芟蛉珖椛?/p>

去年12月19日，“一生一芯”團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)和投片。今年4月23日，處理器芯片返回，經(jīng)過調(diào)試測(cè)試驗(yàn)證，芯片成功運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)以及學(xué)生們自己編寫的國科大教學(xué)操作系統(tǒng)UCAS-Core。

在今年6月的畢業(yè)答辯中，“一生一芯”團(tuán)隊(duì)學(xué)生代表王華強(qiáng)向畢業(yè)答辯委員會(huì)演示處理器芯片的功能。他們交出了一份超出預(yù)期的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)“答卷”，也實(shí)現(xiàn)了帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)這一目標(biāo)。7月22日，王華強(qiáng)又收到了“果殼”被RISC-V領(lǐng)域旗艦國際會(huì)議“RISC-V全球論壇”(RISC-V Global Forum)接收的通知，不久將代表團(tuán)隊(duì)向全球業(yè)界介紹“果殼”的設(shè)計(jì)，這也將是“果殼”首次在國際舞臺(tái)上亮相。

如今，這五位同學(xué)都已確定將在中科院計(jì)算所讀研，目前正在參與一個(gè)更有挑戰(zhàn)的項(xiàng)目，開發(fā)一款高性能亂序多發(fā)射RISC-V處理器核的設(shè)計(jì)。

“一年前他們?cè)谧?lsquo;果殼’時(shí)還有些吃力，現(xiàn)在已是這個(gè)新團(tuán)隊(duì)中的骨干，和其他博士生和工程師們一起攻堅(jiān)克難。等到他們30歲時(shí)，就可以說是處理器芯片和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的‘老兵’了。”包云崗說，那時(shí)的他們也許會(huì)去工業(yè)界研發(fā)產(chǎn)品，或在學(xué)術(shù)界做科研，不管怎樣，這批年輕人的未來值得期待。

孫凝暉說，“一生一芯”計(jì)劃的愿景目標(biāo)是在國科大實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，向全國輻射，幫助更多高校形成從處理器芯片設(shè)計(jì)到流片并運(yùn)行操作系統(tǒng)的實(shí)踐課程，提高我國處理器芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)規(guī)模，多出人才;縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的周期，快出人才，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)3年后在全國每年能培養(yǎng)500名學(xué)生，5年后實(shí)現(xiàn)每年培養(yǎng)1000名學(xué)生，10年達(dá)到每年培養(yǎng)1萬名學(xué)生。

在包云崗看來，“一生一芯”計(jì)劃向全國輻射的一大困難是，對(duì)老師的要求比較高，不利于推廣，“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(shí)踐經(jīng)歷，然后再去指導(dǎo)學(xué)生”。(中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 孫慶玲)

標(biāo)簽： 芯片設(shè)計(jì) 人才培養(yǎng)模式