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

本文作者：劉琳

2020-08-26 18:35

導(dǎo)語(yǔ)：少年強(qiáng)，則中國(guó)強(qiáng)。

別人的畢設(shè)寫論文寫到頭禿，他們的畢設(shè)帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)。

國(guó)科大這五位畢業(yè)生實(shí)為我輩楷模。

7 月 25 日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)召開新聞發(fā)布會(huì)，公布了首期“一生一芯”計(jì)劃成果——在國(guó)內(nèi)首次以流片為目標(biāo)，由 5 位 2016 級(jí)本科生主導(dǎo)完成一款 64 位 RISC-V 處理器 SoC 芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片，芯片能成功運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)以及學(xué)生自己編寫的國(guó)科大教學(xué)操作系統(tǒng) UCAS-Core 。

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

參與項(xiàng)目的五位同學(xué)，將這枚芯片命名為 “果殼”（NutShell）——發(fā)音與“國(guó)科” 相似。

本科生設(shè)計(jì)芯片，在中國(guó)還是頭一遭。

芯片制造，本科生，這兩個(gè)詞放在一起，無(wú)論怎么看，都會(huì)顯得很怪異。

承接這個(gè)項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)院大學(xué)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(xué)，分別是金越、王華強(qiáng)、王凱帆、張林雋和張紫飛。

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

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

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)，寫了洋洋灑灑的長(zhǎng)篇分析。

如今，五位學(xué)生已經(jīng)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(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。

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

“一生一芯”計(jì)劃萌芽

中國(guó)能自主造芯嗎？

這個(gè)問(wèn)題變成了中國(guó)的一大難題，從美國(guó)開始針對(duì)華為后，中國(guó)的造芯實(shí)力也一再被拷問(wèn)。

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

但當(dāng)時(shí)中科院正在研究 RISC-V 開源芯片技術(shù)，而華為的主力芯片都是基于 ARM 。

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

開源，意味著全世界的大神都在給這個(gè)架構(gòu)做貢獻(xiàn)，代碼也是完全免費(fèi)公開的。于是，再也沒有人可以用任何理由來(lái)控制它。

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

在這種危機(jī)時(shí)刻，中科院一點(diǎn)忙都幫不上。

華為，只能靠自己。

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

9 月 15 日之后，華為麒麟系列芯片將無(wú)法制造，成為絕唱。

危機(jī)之下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性也慢慢凸顯出來(lái)，而要造芯，人才是第一重要因素。

事實(shí)上，2018 年，包云崗就隱約意識(shí)到，RISC-V 對(duì)人才培養(yǎng)會(huì)有幫助，也在計(jì)劃如何培養(yǎng)人才，當(dāng)時(shí)還只是有一個(gè)模糊的想法。

2019 年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)。

同時(shí)，這個(gè)計(jì)劃上報(bào)到國(guó)科大管理層，得到了李樹深校長(zhǎng)的高度重視，迅速累計(jì)召集 5 個(gè)以上部門，來(lái)協(xié)調(diào)扶持該計(jì)劃。

全校上下萬(wàn)眾一心，推動(dòng)這項(xiàng)計(jì)劃的開啟。

很快，芯片內(nèi)部代號(hào)“COOSCA”也已經(jīng)起好，是三門課——計(jì)算機(jī)組織（Computer Organization）、操作系統(tǒng)（Operating System）、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）的縮寫。

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一切準(zhǔn)備就緒后，只欠東風(fēng)（人才）。

在全院的召集下，有五位同學(xué)脫穎而出——他們大學(xué)相關(guān)課程成績(jī)多數(shù)在 90 分以上，且都通過(guò)了計(jì)算所暑期夏令營(yíng)面試，均被錄取為國(guó)科大計(jì)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(xué)校進(jìn)行測(cè)試。

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

這樣算起來(lái)，留給畢業(yè)生和導(dǎo)師們的時(shí)間就只有 4 個(gè)月。

4 個(gè)月造芯：他們?cè)跒橹袊?guó)芯片探路

2019 年 8 月 20 日，國(guó)科大落實(shí)中芯國(guó)際 110nm 工藝的流片渠道。七天后，“一生一芯”計(jì)劃火速啟動(dòng)。

流片是在芯片設(shè)計(jì)完成后，帶入工廠生產(chǎn)線的一整套的芯片制造過(guò)程。

12 月 19 日，COOSCA 1.0 芯片版圖最終完成。

但真實(shí)的芯片開發(fā)，要比課堂上所學(xué)復(fù)雜得太多。

而剛剛從課堂走出來(lái)的這五位同學(xué)，不僅需要綜合應(yīng)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，還要自學(xué)大學(xué)里沒有講的工作原理，更重要的是現(xiàn)在還要求動(dòng)手實(shí)踐。

對(duì)于他們來(lái)說(shuō)難度更不必說(shuō)。

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，五人組終究是熬過(guò)來(lái)了。

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圖片來(lái)自知乎

現(xiàn)在就剩最后一步了——現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試。

但由于疫情原因?qū)W生們不能返校。

這時(shí)，余子濠、蔡曄和劉彤三位同學(xué)挺身而出，主動(dòng)到學(xué)校協(xié)助調(diào)試測(cè)試工作。

測(cè)試驗(yàn)證工作看似簡(jiǎn)單，但實(shí)則很有難度。

因?yàn)閺牡讓?PCB 版圖、到上層操作系統(tǒng)、內(nèi)存顆粒到中間處理器設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件，每個(gè)層次都可能出問(wèn)題。

哪怕一個(gè)很不起眼的小問(wèn)題，都會(huì)造成芯片無(wú)法正常工作。

經(jīng)過(guò)大約 1 個(gè)月的調(diào)試測(cè)試，終于證明芯片一切正常，可以成功運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)。

最終，王華強(qiáng)同學(xué)代表“一生一芯”團(tuán)隊(duì)展示了 COOSCA 芯片的功能。

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圖片來(lái)自知乎

五位本科生僅用四個(gè)月的時(shí)間，從零到一，成功實(shí)現(xiàn)了靠自己設(shè)計(jì)處理器芯片這個(gè)之前想都不敢想的目標(biāo)。

不過(guò)，據(jù)介紹，“果殼”的最高工作頻率是 350MHz，CoreMark 測(cè)試跑分為 1.49/MHz。嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，它是一款教學(xué)芯片，而非產(chǎn)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(jīng)算得上是功能較為完整的處理器芯片了。

不到一年的時(shí)間，首次參加該計(jì)劃的 5 位“小白鼠”交出一份超預(yù)期的本科畢業(yè)設(shè)計(jì) “答卷”，帶著自研芯片“果殼”順利畢業(yè)，這也標(biāo)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(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。

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“一生一芯”計(jì)劃的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)

“一生一芯”名字的初衷，是希望有一天能讓每一個(gè)學(xué)生都能帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)。

但要注意，這是一次教學(xué)實(shí)踐，其本身和突破技術(shù)封鎖關(guān)系不大，更為深層次的考慮則在于最終降低芯片設(shè)計(jì)的門檻。

包云崗在由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，深圳市人工智能與機(jī)器人研究院協(xié)辦的第四屆全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR 2019）上作了題為《面向未來(lái)領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)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(wèn)題。

他指出，過(guò)去幾年摩爾定律從每 18 個(gè)月翻一番，到現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)槭晟踔炼晷阅懿拍芊环＿@似乎意味著摩爾定律就快停滯了。但從另外一個(gè)角度看，其實(shí)是領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)正在興起。

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

所以，以摩爾定律減速的規(guī)律來(lái)看，領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)的興起會(huì)讓芯片去適應(yīng)軟件（硬件加速），所以需要芯片迭代加快，適配更多細(xì)分場(chǎng)景，這就要求有更多的人來(lái)做。同時(shí)需要更低的門檻，以方便更多的人能設(shè)計(jì)芯片。

反觀今天芯片設(shè)計(jì)的門檻，14 納米工藝并不是最先進(jìn)的工藝，一款芯片整個(gè)投入下來(lái)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(gè)（中端）芯片公司只需小幾千萬(wàn)，基本上會(huì)認(rèn)為這個(gè)企業(yè)在忽悠。但互聯(lián)網(wǎng)公司投幾百萬(wàn)，就認(rèn)為可以把公司做起來(lái)。所以，門檻高了對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)并不利，同時(shí)制約了創(chuàng)新。

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

最終體現(xiàn)出的價(jià)值是，一方面培養(yǎng)了大量學(xué)生，另一方面也會(huì)催生半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的商業(yè)模式，也就是今天的無(wú)晶圓企業(yè)和代工企業(yè)。

而這也正符合“一生一芯”計(jì)劃的目標(biāo)。