五位本科生仅用4个月带“芯”毕业 九月初成果将亮相

2020年08月26日 19:28 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

别人的毕设写论文写到头秃,他们的毕设带着自己设计的芯片毕业。中科大这五位毕业生实为我辈楷模。7 月 25 日,中国科学院大学召开新闻发布会,公布了首期“一生一芯”计划成果——在国内首次以流片为目标,由 5 位 2016 级本科生主导完成一款 64 位 RISC-V 处理器 SoC 芯片设计并实现流片,芯片能成功运行 Linux 操作系统以及学生自己编写的国科大教学操作系统 UCAS-Core 。

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参与项目的五位同学,将这枚芯片命名为 “果壳”(NutShell)——发音与“国科” 相似。

本科生设计芯片,在中国还是头一遭。

芯片制造,本科生,这两个词放在一起,无论怎么看,都会显得很怪异。

承接这个项目的中国科学院大学师生,也很忐忑。但一年后,他们把不可能,变成了可能。

参加首期“一生一芯”的五位同学,分别是金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞。

而和芯片有关的新闻,总能引起更多关注,尤其是当这件事和五个平均年龄只有 21.8 岁的本科毕业生联系起来时,议论的声音也就更甚。

有人鼓掌,有人唱衰,有人将它和中国芯片产业联系起来,写了洋洋洒洒的长篇分析。

如今,五位学生已经开始了新的工作。他们正在深圳,参与新的更高性能芯片的设计。

8 月中旬,他们还多了个新身份——第二期“一生一芯”计划的助教。

首期“一生一芯”计划的成功让业内人士眼前一亮。中科院计算所研究员、先进计算机系统研究中心主任,中国开放指令生态联盟秘书长的包云岗作为该计划的主要发起者也在知乎分享了这一计划从萌芽到实施的全部过程。

“一生一芯”计划萌芽 中国能自主造芯吗?

这个问题变成了中国的一大难题,从美国开始针对华为后,中国的造芯实力也一再被拷问。

去年 5 月,华为被美国制裁,海思芯片惨遭重创。中科院科研人员主动找到华为,想要给予技术帮助。

但当时中科院正在研究 RISC-V 开源芯片技术,而华为的主力芯片都是基于 ARM 。

RISC-V 是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)。

开源,意味着全世界的大神都在给这个架构做贡献,代码也是完全免费公开的。于是,再也没有人可以用任何理由来控制它。

该项目2010年始于加州大学伯克利分校,但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。

在这种危机时刻,中科院一点忙都帮不上。

华为,只能靠自己。

8 月 7 日,华为消费者业务 CEO 余承东在中国信息化百人会 2020 年峰会上表示:

9 月 15 日之后,华为麒麟系列芯片将无法制造,成为绝唱。

危机之下,半导体产业的重要性也慢慢凸显出来,而要造芯,人才是第一重要因素。

事实上,2018 年,包云岗就隐约意识到,RISC-V 对人才培养会有帮助,也在计划如何培养人才,当时还只是有一个模糊的想法。

2019 年包云岗迅速将他模糊的想法细化:让学生学习并实践芯片敏捷设计方法,通过大学流片计划完成芯片制造。

2019 年 8 月,“一生一芯”计划正式启动。

同时,这个计划上报到国科大管理层,得到了李树深校长的高度重视,迅速累计召集 5 个以上部门,来协调扶持该计划。

全校上下万众一心,推动这项计划的开启。

很快,芯片内部代号“COOSCA”也已经起好,是三门课——计算机组织(Computer Organization)、操作系统(Operating System)、计算机体系结构(Computer Architecture)的缩写。

一切准备就绪后,只欠东风(人才)。

在全院的召集下,有五位同学脱颖而出——他们大学相关课程成绩多数在 90 分以上,且都通过了计算所暑期夏令营面试,均被录取为国科大计算所的研究生。

人才确定后,中科院也确定了最合适的流片班车是 12 月 17 日,这样能保证芯片在 4 月份完成封装,返回学校进行测试。

如果一切顺利,那就可以赶上五月底的国科大本科毕业答辩,到时可以在答辩现场展示芯片。

这样算起来,留给毕业生和导师们的时间就只有 4 个月。

4 个月造芯:他们在为中国芯片探路

2019 年 8 月 20 日,国科大落实中芯国际 110nm 工艺的流片渠道。七天后,“一生一芯”计划火速启动。

流片是在芯片设计完成后,带入工厂生产线的一整套的芯片制造过程。

12 月 19 日,COOSCA 1.0 芯片版图最终完成。

但真实的芯片开发,要比课堂上所学复杂得太多。

而刚刚从课堂走出来的这五位同学,不仅需要综合应用学过的知识,还要自学大学里没有讲的工作原理,更重要的是现在还要求动手实践。

对于他们来说难度更不必说。

从 2019 年 8 月正式动手设计,到 12 月中旬交付设计图纸,五人组终究是熬过来了。

图片来自知乎

现在就剩最后一步了——现场调试与测试。

但由于疫情原因学生们不能返校。

这时,余子濠、蔡晔和刘彤三位同学挺身而出,主动到学校协助调试测试工作。

测试验证工作看似简单,但实则很有难度。

因为从底层 PCB 版图、到上层操作系统、内存颗粒到中间处理器设计、应用软件,每个层次都可能出问题。

哪怕一个很不起眼的小问题,都会造成芯片无法正常工作。

经过大约 1 个月的调试测试,终于证明芯片一切正常,可以成功运行 Linux 操作系统。

最终,王华强同学代表“一生一芯”团队展示了 COOSCA 芯片的功能。

图片来自知乎

五位本科生仅用四个月的时间,从零到一,成功实现了靠自己设计处理器芯片这个之前想都不敢想的目标。

不过,据介绍,“果壳”的最高工作频率是 350MHz,CoreMark 测试跑分为 1.49/MHz。严格意义上来说,它是一款教学芯片,而非产品芯片。

虽然和商业处理器相比仍有一定差距,但 “果壳” 已经算得上是功能较为完整的处理器芯片了。

不到一年的时间,首次参加该计划的 5 位“小白鼠”交出一份超预期的本科毕业设计 “答卷”,带着自研芯片“果壳”顺利毕业,这也标志着首期“一生一芯” 取得成功。

最新的消息是 :9 月 3 日,王华强将代表团队向全球同行介绍“果壳”的设计,这也将是“果壳”首次在国际舞台上亮相。

“一生一芯”计划的长远目标

“一生一芯”名字的初衷,是希望有一天能让每一个学生都能带着自己设计的芯片毕业。

但要注意,这是一次教学实践,其本身和突破技术封锁关系不大,更为深层次的考虑则在于最终降低芯片设计的门槛。

包云岗在由中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网、香港中文大学(深圳)承办,深圳市人工智能与机器人研究院协办的第四届全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR 2019)上作了题为《面向未来领域专用架构的敏捷开发方法与开源芯片生态》的主题演讲中回答了这一问题。

他指出,过去几年摩尔定律从每 18 个月翻一番,到现在已经变为十年甚至二十年性能才能翻一番。这似乎意味着摩尔定律就快停滞了。但从另外一个角度看,其实是领域专用体系结构正在兴起。

所以,以摩尔定律减速的规律来看,领域专用体系结构的兴起会让芯片去适应软件(硬件加速),所以需要芯片迭代加快,适配更多细分场景,这就要求有更多的人来做。同时需要更低的门槛,以方便更多的人能设计芯片。

反观今天芯片设计的门槛,14 纳米工艺并不是最先进的工艺,一款芯片整个投入下来成本也要到上亿的规模,只有很少的企业可以做。如果投资人听到投一个(中端)芯片公司只需小几千万,基本上会认为这个企业在忽悠。但互联网公司投几百万,就认为可以把公司做起来。所以,门槛高了对整个产业并不利,同时制约了创新。

所以,在演讲中,他提到降低芯片设计门槛的重要意义在于:只有芯片的门槛降到足够低,才会有更多的人可以做芯片。

最终体现出的价值是,一方面培养了大量学生,另一方面也会催生半导体产业新的商业模式,也就是今天的无晶圆企业和代工企业。

而这也正符合“一生一芯”计划的目标。

后生可畏,后浪可期

首期“一生一芯”计划的成功也为中国芯制造开了一个好头。

众所周知,中国芯片产业缺人,而且是急缺。

据包云岗介绍,仅拿芯片架构师来说,一颗芯片,性能的 60% 取决于架构师。

他们是芯片灵魂的缔造者。

而在国内,合格的架构师不超过三位数,顶级的架构师不超过两位数。

还不如邻国日本的一个零头。

不仅是顶端设计人才,人才缺口遍布行业的方方面面。

芯片流水线的制造工人、操作工人、封测工人、设备协调工人、企业管理人才等等,全都面临着无人可用的境地。

在这之前,包云岗曾统计过半导体行业顶级会议 ISCA 论文作者在最近十年内的职业去向。

结果令他失望。

这些优秀的校园人才有多达96%会选择在美国就业,只有可怜的 4% 会选择留在国内。

行业急需高校补上人才缺口,但高校自身的人才却在不断流失。

由于多年来产业的落后,导致大部分半导体毕业生不是出国,就是转行去了互联网、计算机等行业。

留在半导体行业的人,屈指可数。

所以,首期“一生一芯”即计划的成功的意义更多在于让学生们参与到芯片设计和制造之中去,这其实是缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期。

这无疑是个好消息。

目前,“一生一芯”计划二期已经启动。

据包云岗介绍,二期的学生增加到 13 位。除了国科大外,还有来自浙江大学、南京大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学(深圳)和美国密歇根州立大学等五所高校的同学。

当然,我们什么时候才不会被“卡脖子”这一天的到来,还需要一段漫长的等待。

道阻且长,行则将至。

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