硬核！五位本科生僅用 4 個月帶“芯” 畢業(yè)，九月初該芯片將亮相國際舞臺

本文作者：劉琳

2020-08-26 18:35

導語：少年強，則中國強。

別人的畢設寫論文寫到頭禿，他們的畢設帶著自己設計的芯片畢業(yè)。

國科大這五位畢業(yè)生實為我輩楷模。

7 月 25 日，中國科學院大學召開新聞發(fā)布會，公布了首期“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 芯片設計并實現(xiàn)流片，芯片能成功運行 Linux 操作系統(tǒng)以及學生自己編寫的國科大教學操作系統(tǒng) UCAS-Core 。

硬核！五位本科生僅用 4 個月帶“芯” 畢業(yè)，九月初該芯片將亮相國際舞臺

參與項目的五位同學，將這枚芯片命名為 “果殼”（NutShell）——發(fā)音與“國科” 相似。

本科生設計芯片，在中國還是頭一遭。

芯片制造，本科生，這兩個詞放在一起，無論怎么看，都會顯得很怪異。

承接這個項目的中國科學院大學師生，也很忐忑。但一年后，他們把不可能，變成了可能。

參加首期“一生一芯”的五位同學，分別是金越、王華強、王凱帆、張林雋和張紫飛。

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而和芯片有關的新聞，總能引起更多關注，尤其是當這件事和五個平均年齡只有 21.8 歲的本科畢業(yè)生聯(lián)系起來時，議論的聲音也就更甚。

有人鼓掌，有人唱衰，有人將它和中國芯片產業(yè)聯(lián)系起來，寫了洋洋灑灑的長篇分析。

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。

首期“一生一芯”計劃的成功讓業(yè)內人士眼前一亮。中科院計算所研究員、先進計算機系統(tǒng)研究中心主任，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟秘書長的包云崗作為該計劃的主要發(fā)起者也在知乎分享了這一計劃從萌芽到實施的全部過程。

“一生一芯”計劃萌芽

中國能自主造芯嗎？

這個問題變成了中國的一大難題，從美國開始針對華為后，中國的造芯實力也一再被拷問。

去年 5 月，華為被美國制裁，海思芯片慘遭重創(chuàng)。中科院科研人員主動找到華為，想要給予技術幫助。

但當時中科院正在研究 RISC-V 開源芯片技術，而華為的主力芯片都是基于 ARM 。

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RISC-V 是一個基于精簡指令集（RISC）原則的開源指令集架構（ISA）。

開源，意味著全世界的大神都在給這個架構做貢獻，代碼也是完全免費公開的。于是，再也沒有人可以用任何理由來控制它。

該項目2010年始于加州大學伯克利分校，但許多貢獻者是該大學以外的志愿者和行業(yè)工作者。

在這種危機時刻，中科院一點忙都幫不上。

華為，只能靠自己。

8 月 7 日，華為消費者業(yè)務 CEO 余承東在中國信息化百人會 2020 年峰會上表示：

9 月 15 日之后，華為麒麟系列芯片將無法制造，成為絕唱。

危機之下，半導體產業(yè)的重要性也慢慢凸顯出來，而要造芯，人才是第一重要因素。

事實上，2018 年，包云崗就隱約意識到，RISC-V 對人才培養(yǎng)會有幫助，也在計劃如何培養(yǎng)人才，當時還只是有一個模糊的想法。

2019 年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。

同時，這個計劃上報到國科大管理層，得到了李樹深校長的高度重視，迅速累計召集 5 個以上部門，來協(xié)調扶持該計劃。

全校上下萬眾一心，推動這項計劃的開啟。

很快，芯片內部代號“COOSCA”也已經起好，是三門課——計算機組織（Computer Organization）、操作系統(tǒng)（Operating System）、計算機體系結構（Computer Architecture）的縮寫。

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一切準備就緒后，只欠東風（人才）。

在全院的召集下，有五位同學脫穎而出——他們大學相關課程成績多數(shù)在 90 分以上，且都通過了計算所暑期夏令營面試，均被錄取為國科大計算所的研究生。

人才確定后，中科院也確定了最合適的流片班車是 12 月 17 日，這樣能保證芯片在 4 月份完成封裝，返回學校進行測試。

如果一切順利，那就可以趕上五月底的國科大本科畢業(yè)答辯，到時可以在答辯現(xiàn)場展示芯片。

這樣算起來，留給畢業(yè)生和導師們的時間就只有 4 個月。

4 個月造芯：他們在為中國芯片探路

2019 年 8 月 20 日，國科大落實中芯國際 110nm 工藝的流片渠道。七天后，“一生一芯”計劃火速啟動。

流片是在芯片設計完成后，帶入工廠生產線的一整套的芯片制造過程。

12 月 19 日，COOSCA 1.0 芯片版圖最終完成。

但真實的芯片開發(fā)，要比課堂上所學復雜得太多。

而剛剛從課堂走出來的這五位同學，不僅需要綜合應用學過的知識，還要自學大學里沒有講的工作原理，更重要的是現(xiàn)在還要求動手實踐。

對于他們來說難度更不必說。

從 2019 年 8 月正式動手設計，到 12 月中旬交付設計圖紙，五人組終究是熬過來了。

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圖片來自知乎

現(xiàn)在就剩最后一步了——現(xiàn)場調試與測試。

但由于疫情原因學生們不能返校。

這時，余子濠、蔡曄和劉彤三位同學挺身而出，主動到學校協(xié)助調試測試工作。

測試驗證工作看似簡單，但實則很有難度。

因為從底層 PCB 版圖、到上層操作系統(tǒng)、內存顆粒到中間處理器設計、應用軟件，每個層次都可能出問題。

哪怕一個很不起眼的小問題，都會造成芯片無法正常工作。

經過大約 1 個月的調試測試，終于證明芯片一切正常，可以成功運行 Linux 操作系統(tǒng)。

最終，王華強同學代表“一生一芯”團隊展示了 COOSCA 芯片的功能。

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圖片來自知乎

五位本科生僅用四個月的時間，從零到一，成功實現(xiàn)了靠自己設計處理器芯片這個之前想都不敢想的目標。

不過，據(jù)介紹，“果殼”的最高工作頻率是 350MHz，CoreMark 測試跑分為 1.49/MHz。嚴格意義上來說，它是一款教學芯片，而非產品芯片。

雖然和商業(yè)處理器相比仍有一定差距，但 “果殼” 已經算得上是功能較為完整的處理器芯片了。

不到一年的時間，首次參加該計劃的 5 位“小白鼠”交出一份超預期的本科畢業(yè)設計 “答卷”，帶著自研芯片“果殼”順利畢業(yè)，這也標志著首期“一生一芯” 取得成功。

最新的消息是：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。

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“一生一芯”計劃的長遠目標

“一生一芯”名字的初衷，是希望有一天能讓每一個學生都能帶著自己設計的芯片畢業(yè)。

但要注意，這是一次教學實踐，其本身和突破技術封鎖關系不大，更為深層次的考慮則在于最終降低芯片設計的門檻。

包云崗在由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協(xié)辦的第四屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2019）上作了題為《面向未來領域專用架構的敏捷開發(fā)方法與開源芯片生態(tài)》的主題演講中回答了這一問題。

他指出，過去幾年摩爾定律從每 18 個月翻一番，到現(xiàn)在已經變?yōu)槭晟踔炼晷阅懿拍芊环?。這似乎意味著摩爾定律就快停滯了。但從另外一個角度看，其實是領域專用體系結構正在興起。

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所以，以摩爾定律減速的規(guī)律來看，領域專用體系結構的興起會讓芯片去適應軟件（硬件加速），所以需要芯片迭代加快，適配更多細分場景，這就要求有更多的人來做。同時需要更低的門檻，以方便更多的人能設計芯片。

反觀今天芯片設計的門檻，14 納米工藝并不是最先進的工藝，一款芯片整個投入下來成本也要到上億的規(guī)模，只有很少的企業(yè)可以做。如果投資人聽到投一個（中端）芯片公司只需小幾千萬，基本上會認為這個企業(yè)在忽悠。但互聯(lián)網(wǎng)公司投幾百萬，就認為可以把公司做起來。所以，門檻高了對整個產業(yè)并不利，同時制約了創(chuàng)新。

所以，在演講中，他提到降低芯片設計門檻的重要意義在于：只有芯片的門檻降到足夠低，才會有更多的人可以做芯片。

最終體現(xiàn)出的價值是，一方面培養(yǎng)了大量學生，另一方面也會催生半導體產業(yè)新的商業(yè)模式，也就是今天的無晶圓企業(yè)和代工企業(yè)。

而這也正符合“一生一芯”計劃的目標。