“如何評(píng)價(jià)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)科大)‘一生一芯’計(jì)劃?”
在某問(wèn)答網(wǎng)站上，這個(gè)問(wèn)題獲得了超千萬(wàn)的關(guān)注熱度。
五位本科生，主導(dǎo)完成了一款64位RISC-V處理器SoC芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片。這款芯片，被稱作他們的 “最硬核畢業(yè)證書(shū)”。
和芯片有關(guān)的新聞，總能牽動(dòng)國(guó)人的心。
而當(dāng)主角成為幾個(gè)“帶芯畢業(yè)”二十出頭的年輕人，就更加引人好奇。
網(wǎng)上的聲音多種多樣，有人鼓掌，有人唱衰，有人將它和中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)系起來(lái)，寫(xiě)了洋洋灑灑長(zhǎng)篇分析。
如今，五位學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始了新的工作。他們正在深圳，參與新的更高性能芯片的設(shè)計(jì)。
8月中旬，他們還多了個(gè)新身份——第二期“一生一芯”計(jì)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(qiáng)家的。
它大概一元硬幣大小，上面刻著 “COOSCA-01”和“一生一芯”的字樣，還有國(guó)科大的Logo。
COOSCA是一個(gè)內(nèi)部代號(hào)，是國(guó)科大計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的三門(mén)課程——計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)架構(gòu)的縮寫(xiě)。“一生一芯”則是計(jì)劃的名字，意思是讓每位本科生帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)。
受新冠肺炎疫情影響，今年國(guó)科大的本科畢業(yè)答辯在線上進(jìn)行。
學(xué)生王華強(qiáng)代表“一生一芯”團(tuán)隊(duì)，向答辯委員會(huì)的老師遠(yuǎn)程展示了芯片。
他把芯片裝上測(cè)試板，用串口線將測(cè)試板與電腦連接，打開(kāi)電腦上的終端軟件，按下測(cè)試板上的復(fù)位鍵，運(yùn)行了幾個(gè)簡(jiǎn)單的程序——Linux系統(tǒng)跑起來(lái)了。
王華強(qiáng)在遠(yuǎn)程畢業(yè)答辯時(shí)展示芯片運(yùn)行過(guò)程。
然而，去年夏天，“一生一芯”計(jì)劃參與者張紫飛第一次聽(tīng)到該計(jì)劃時(shí)的第一反應(yīng)卻是“天方夜譚”吧。
讓幾個(gè)本科生用幾個(gè)月時(shí)間，設(shè)計(jì)出一枚能夠運(yùn)行Linux這樣復(fù)雜操作系統(tǒng)的芯片，可能嗎?
“一生一芯”計(jì)劃負(fù)責(zé)人、國(guó)科大計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任包云崗則覺(jué)得，在開(kāi)源時(shí)代，將芯片設(shè)計(jì)的門(mén)檻降下來(lái)，是可能的。
包云崗對(duì)2008年至2017年計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)際頂級(jí)會(huì)議論文第一作者做過(guò)分析，只有4%來(lái)自中國(guó)的高校和科研院所。
中國(guó)的處理器芯片設(shè)計(jì)界，缺人。
開(kāi)放指令集RISC-V與芯片敏捷開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Chisel，能使開(kāi)發(fā)效率數(shù)量級(jí)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(shè)計(jì)、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。
2018年時(shí)，包云崗就隱約意識(shí)到，RISC-V對(duì)人才培養(yǎng)會(huì)有幫助。2019年5月，華為被美國(guó)商務(wù)部列入實(shí)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(xì)化：讓學(xué)生學(xué)習(xí)并實(shí)踐芯片敏捷設(shè)計(jì)方法，通過(guò)大學(xué)流片計(jì)劃完成芯片制造。
2019年8月，“一生一芯”計(jì)劃正式啟動(dòng)。這是一次教學(xué)實(shí)踐。
國(guó)科大校領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，它會(huì)掀起本科教學(xué)改革的新篇章。
五位參與的學(xué)生是金越、王華強(qiáng)、王凱帆、張林雋和張紫飛。
他們都是國(guó)科大計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2016級(jí)本科生，那時(shí)也都已通過(guò)了中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的保研夏令營(yíng)，成為首批吃螃蟹的人。
踩坑、挖坑，再?gòu)目永锱莱鰜?lái)
其實(shí)，在他們面前的，是一條未有人走過(guò)的路。
沒(méi)有導(dǎo)航，他們需要自己打怪升級(jí)，自己試錯(cuò)嘗試。
當(dāng)然，他們也并非是在白紙上作畫(huà)。
教師團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了總體方案，確定了技術(shù)路線，選擇好了基礎(chǔ)平臺(tái)，搭建了開(kāi)發(fā)環(huán)境，也選定了流片工藝和班車。
五位學(xué)生真正動(dòng)手之前，一支實(shí)力強(qiáng)大的教師團(tuán)隊(duì)，為學(xué)生的乘風(fēng)破浪，做好了保駕護(hù)航的準(zhǔn)備。
做芯片，其實(shí)分為前端和后端。前端主要是做設(shè)計(jì)，用數(shù)字電路的方式實(shí)現(xiàn)處理器的功能;后端則是用物理元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)。
“要說(shuō)芯片都是我們做的，并不準(zhǔn)確。其實(shí)我們只是做了前端的邏輯設(shè)計(jì)部分。”王凱帆強(qiáng)調(diào)。
他嘗試用最通俗的語(yǔ)言向科技日?qǐng)?bào)記者解釋設(shè)計(jì)芯片是怎么一回事——類似于畫(huà)一張大樓的施工圖紙。只不過(guò)，呈現(xiàn)這張圖紙，用的不是線條，而是一種叫做Chisel的硬件語(yǔ)言。
此前，包云崗團(tuán)隊(duì)中的博士生余子濠為南京大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款教學(xué)用RISC-V處理器，“一生一芯”計(jì)劃的學(xué)生要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，把師兄搭建的房子，改建得更舒服、更亮堂。
包云崗說(shuō)，在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)和科研工作中，也往往不是從頭開(kāi)始，更多是在已有基礎(chǔ)上，增加新功能，提高性能。“這培養(yǎng)的是學(xué)生‘理解—消化—創(chuàng)新’的能力。”
大家采用了當(dāng)下流行的“敏捷開(kāi)發(fā)”模式：每人負(fù)責(zé)一個(gè)或幾個(gè)模塊，齊頭并進(jìn)，多線推進(jìn)，然后合龍。
芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)歷程。圖源：包云崗知乎問(wèn)答
“一生一芯”計(jì)劃的目標(biāo)很明確：在芯片上運(yùn)行Linux系統(tǒng)，支持基本的輸入輸出設(shè)備。
先解決“能不能”“對(duì)不對(duì)”的問(wèn)題，再來(lái)看“快不快”“好不好”。
對(duì)新手施工設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，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(dòng)手設(shè)計(jì)，到12月中旬交付設(shè)計(jì)圖紙，五人組踩過(guò)坑，給別人挖過(guò)坑，也掙扎著從坑里爬出來(lái)過(guò)。
他們?cè)疽购筒恢阍谀睦锏腻e(cuò)誤死磕，還要對(duì)抗可能拖延隊(duì)友進(jìn)度的焦慮。
團(tuán)隊(duì)成員金越負(fù)責(zé)的是片上系統(tǒng)。
除了中央處理器，在系統(tǒng)內(nèi)還有五個(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)具體功能。
這些控制器的代碼是由開(kāi)源社區(qū)提供的，但團(tuán)隊(duì)并不清楚這些控制器是否適合他們?cè)O(shè)計(jì)的這款芯片。
金越需要編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)軟件，測(cè)試外設(shè)控制器是否設(shè)置正確，能否正常工作。
“要是出現(xiàn)問(wèn)題就很麻煩了。到底是我的軟件寫(xiě)錯(cuò)了，還是外設(shè)控制器本身有問(wèn)題?如果是外設(shè)控制器有問(wèn)題，到底是哪個(gè)有問(wèn)題?”
變量太多，排列組合下來(lái)，測(cè)試復(fù)雜得讓人頭疼。
“做驗(yàn)證的那幾天，幾乎沒(méi)怎么睡過(guò)覺(jué)。”金越半夜對(duì)著電腦，查手冊(cè)，查代碼，查波形，懷著點(diǎn)“我就不信邪”的不忿：“我一定要把這個(gè)東西弄出來(lái)。”
尋找問(wèn)題究竟出在哪，是幾乎每個(gè)計(jì)劃參與者都會(huì)提到的“痛苦”經(jīng)歷，常常是 “按下葫蘆起了瓢”。
作為團(tuán)隊(duì)唯一的女將，張林雋負(fù)責(zé)的部分是預(yù)取器。
你進(jìn)入了一間圖書(shū)館，想找到一本書(shū)。靠你最近的書(shū)架，能放的書(shū)最少;而更深處的書(shū)架，放的書(shū)更多，但你走過(guò)去的耗時(shí)也長(zhǎng)。預(yù)取器好比那位了解你喜好的圖書(shū)管理員，他提前將他認(rèn)為你會(huì)拿的書(shū)放在離你最近的書(shū)架，節(jié)省你的查找時(shí)間。
“在實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的時(shí)候，我想當(dāng)然地認(rèn)為，預(yù)取器應(yīng)該放在L1 Cache也就是一級(jí)緩存內(nèi)。”
一級(jí)緩存，相當(dāng)于那個(gè)離你更近的但是容量更少的書(shū)架。但奇怪的是，加入預(yù)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(gè)月的時(shí)間來(lái)找問(wèn)題，一個(gè)一個(gè)排查、修改和調(diào)試。后來(lái)，張林雋被提醒說(shuō)，可能是預(yù)取器放置的位置不對(duì)。“哎，很崩潰，之前寫(xiě)的東西就沒(méi)用了，又要重來(lái)。”將預(yù)取器挪到二級(jí)緩存后，困擾她一個(gè)月的問(wèn)題終于消失了。
在真正動(dòng)手之前，沒(méi)人想過(guò)，問(wèn)題竟然會(huì)在這等著他們。
“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(shè)計(jì)版圖正式提交，基于中芯國(guó)際110nm工藝完成投片。
平時(shí)上課或者比賽，學(xué)生也需要從零開(kāi)始完成一次芯片設(shè)計(jì)。但在課堂實(shí)踐中，并不需要測(cè)試得太完備，只要設(shè)計(jì)出的芯片能通過(guò)老師給的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，就算成功。在“一生一芯”計(jì)劃中，沒(méi)有這些被預(yù)先設(shè)計(jì)好的“測(cè)試點(diǎn)”。你必須考慮全面，細(xì)心謹(jǐn)慎。
無(wú)可否認(rèn)的是，壓力更大。
此前的芯片設(shè)計(jì)，更像是“紙上談兵”，成功了固然好，失敗了好像也無(wú)所謂。但是這次，投入真金白銀去流片，能不能用，幾個(gè)月的努力會(huì)不會(huì)打水漂，流片后就能見(jiàn)分曉。
這是第一期“一生一芯”計(jì)劃，大家都希望能開(kāi)個(gè)好頭。等待的日子，他們忐忑又興奮。
2020年4月23日，學(xué)生們從微信群里得知，他們親手設(shè)計(jì)的處理器芯片返回了。
但這并不是終點(diǎn)，還需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。
“從底層PCB版圖、內(nèi)存顆粒到中間處理器設(shè)計(jì)、再到上層操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，每個(gè)層次都可能出問(wèn)題。哪怕一個(gè)小問(wèn)題，都會(huì)造成芯片無(wú)法正常工作。”包云崗說(shuō)。
這段測(cè)試經(jīng)歷，同樣也是一波三折，甚至有點(diǎn)戲劇性。
芯片回來(lái)后，團(tuán)隊(duì)里的老師們上手測(cè)試了幾顆，結(jié)果芯片真的就是塊“磚”，沒(méi)有任何輸出。一陣忙亂后他們才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是主板上的一根電源線接錯(cuò)了，芯片“出師未捷身先死”，被燒壞了。
后來(lái)，又因?yàn)橐粋€(gè)串口時(shí)鐘頻率設(shè)置問(wèn)題，芯片性能始終不正常。折騰了一段時(shí)間，芯片才被調(diào)整到最佳狀態(tài)。
6月2日，在畢業(yè)答辯現(xiàn)場(chǎng)，王華強(qiáng)展示了芯片的工作流程。
后來(lái)，王凱帆還將國(guó)科大操作系統(tǒng)課程上同學(xué)們自己編寫(xiě)的UCAS-Core移植到了COOSCA核上，用自己寫(xiě)的CPU，運(yùn)行了自己寫(xiě)的操作系統(tǒng)。
到深圳后，張紫飛才第一次看到自己設(shè)計(jì)的芯片。
“第一次看到時(shí)就覺(jué)得，這芯片比我們想象得小啊，好像還有點(diǎn)簡(jiǎn)陋。”張紫飛開(kāi)玩笑道，“但是母不嫌兒丑嘛。”
國(guó)科大的學(xué)生將自己的母校簡(jiǎn)稱為“果殼”，所以，果殼(nutshell)也就成了“一生一芯”計(jì)劃首款芯片的正式名字。
王華強(qiáng)在今年7月RISC-V年中技術(shù)研討會(huì)上介紹了果殼的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。
9月3日，王華強(qiáng)將代表團(tuán)隊(duì)向全球同行介紹“果殼”的設(shè)計(jì)，這也將是“果殼”首次在國(guó)際舞臺(tái)上亮相。
“國(guó)科大學(xué)生硬核畢業(yè)證書(shū)”一度成為網(wǎng)上的熱議話題，但被當(dāng)成“大神”膜拜的幾位學(xué)生，無(wú)意將這一項(xiàng)目做過(guò)多拔高。
金越打了個(gè)比方：“現(xiàn)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?shù)穆酚卸嚯y走。”
也正是因?yàn)榕蔬^(guò)山、爬過(guò)坡，學(xué)生們知道自己都是新兵，經(jīng)驗(yàn)和能力上都有欠缺，還需鍛煉。
“一生一芯”計(jì)劃負(fù)責(zé)人、中科院計(jì)算所研究員包云崗在講解芯片。
他們的平均年齡，只有21.8歲。
包云崗說(shuō)，等他們30歲時(shí)，就可以說(shuō)已經(jīng)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。無(wú)論他們是進(jìn)入業(yè)界還是學(xué)界，創(chuàng)造力會(huì)得到更大的發(fā)揮和展現(xiàn)。“我對(duì)這批年輕人的未來(lái)充滿期待。”
“一生一芯”計(jì)劃二期已經(jīng)啟動(dòng)。
據(jù)包云崗介紹，二期的學(xué)生增加到13位。除了國(guó)科大外，還有來(lái)自浙江大學(xué)、南京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)和美國(guó)密歇根州立大學(xué)等五所高校的同學(xué)。
