去年，中國科學院大學（以下簡稱國科大）在本科新生錄取通知書中嵌入了“龍芯三號”芯片，“硬核錄取通知書”讓人記憶猶新；今年，國科大本科生則拿到了“超硬核畢業證書”。7月25日，國科大公佈了首期“一生一芯”計劃成果——在國內首次以流片為目標，由5位2016級本科生主導完成一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計並實現流片，芯片能成功運行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。
▲“果殼（NutShell）”處理器芯片
培養解決“卡脖子”關鍵技術的人才
芯片設計專門人才培養是解決我國信息領域“卡脖子”問題的關鍵，亟需在中國本土培養大量芯片設計、尤其是處理器芯片設計領域的優秀人才。據國科大計算機科學與技術學院（以下簡稱計算機學院）院長、中國科學院計算技術研究所（以下簡稱中科院計算所）所長孫凝暉院士介紹，處理器芯片被公認為芯片產業皇冠上的明珠，設計複雜度高、難度大。我國處理器芯片設計人才嚴重緊缺，如何加快此類人才的培養規模與培養速度，是我國迫在眉睫的難題。
▲國科大計算機科學與技術學院院長、中國科學院計算技術研究所孫凝暉院士介紹“一生一芯”計劃。
針對處理器設計人才危機，2019年11月，國科大啓動“一生一芯”計劃，目標是通過讓本科生設計處理器芯片並完成流片，培養具有紮實理論與實踐經驗的處理器芯片設計人才。
自該項目啓動以來，經過9個月的努力，由國科大2016級計算機學院本科生金越、王華強、王凱帆、張林雋和張紫飛等五位同學參與的首期“一生一芯”計劃如下成果——2019年12月19日，一款64位RISC-V處理器SoC芯片完成設計，並基於中芯國際110nm工藝完成投片。2020年4月23日，處理器芯片返回，經過調試測試驗證，芯片成功運行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——5位同學交出了一份超出預期的本科畢業設計“答卷”。
▲“果殼（NutShell）”處理器芯片
“從零開始種出的果實要更甜一些”
“一生一芯”計劃需要學生進行各種探索性的嘗試、克服大量技術挑戰，才能實現流片目標。正是這種探索的過程，讓學生深入理解了處理器芯片的工作原理，並體會到探索性實踐的樂趣與成就感。
“與之前實驗最大的不同，這次沒有先行者一步一步的詳細指導，而是要自己尋找方法，獨立實現，然後進行驗證甚至推倒重來”“大部分知識在體系結構課程中…工作原理也很簡單，只有短短的幾行，但是真正在代碼中實現卻比自己所想象的要困難得多”……在最初4個月的高強度研發過程中，從依賴指導到主動探索，從使用者到創造者的角色轉換，金越、王華強等5位同學經歷了“硬件調試4天、最後發現軟件bug”“沒有仔細讀手冊，坑了隊友”種種挫敗困難，但也獲得了前所未有的成就感。有學生感嘆，“真正參與到項目中才知道課程作業就像直接給人採摘的果園一樣，但項目卻是給一片荒地和幾顆果樹苗，從開墾種植和施肥都要自己動手，並且還不知道這樣能不能結出果實。不知為何，總覺得從零開始種出的果實要更甜一些。”
“經過‘一生一芯’計劃的錘鍊，學生們成長了很多。他們不僅在項目中掌握了處理器芯片設計所需的專業知識，也鍛煉出了優秀人才所具備的出色心理素質。”“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雲崗介紹，學生們將這款處理器芯片命名為“果殼（NutShell）”，與“國科”發音相同。他們希望通過自己設計的處理器芯片來寄託對國科大深厚的情感。據悉，“果殼”的設計源代碼已經向國際社區開源。王華強同學將代表團隊於9月3日在RISC-V全球論壇向全球業界介紹“果殼”的設計，這也將是“果殼”首次在國際舞台上亮相。“RISC-V全球論壇的報告均來自世界各地的業界資深專家，包括圖靈獎得主David Patterson教授。國科大本科生能登上RISC-V全球論壇介紹他們設計的處理器核，這在國際上也是非常難得了。”包雲崗説道。
此外，孫凝暉表示，“一生一芯”計劃的願景目標是在國科大實踐經驗的基礎上向全國輻射，幫助更多高校形成從處理器芯片設計到流片並運行操作系統的實踐課程，提高我國處理器芯片設計人才培養規模，縮短人才從培養階段到投入科研與產業一線的週期。力爭實現3年後在全國每年能培養500名學生，5年後實現每年培養1000名學生，10年達到每年培養1萬名學生。
作者：本報駐京記者 彭丹
圖片：國科大供圖
編輯：江勝信
責任編輯：陸正明
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