【中國科學(xué)報(bào)】“一生一芯”：零基礎(chǔ)“小白”，自學(xué)也能造芯片----中國科學(xué)院
如果你不懂計(jì)算機(jī)理論，或是一名藝術(shù)生，但突然想造一枚芯片，這算天方夜譚嗎？
知乎的一位年度新知答主會(huì)告訴你，這不是幻想，而且已經(jīng)有本科生做到了。就在今年，這位答主還幫助哈薩克斯坦的一位學(xué)生造出了該國第一枚自主設(shè)計(jì)的處理器芯片。
這位不斷在社交媒體上給學(xué)生們“打雞血”的“科研八卦人”，正是中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡稱計(jì)算所）副所長、研究員包云崗。
6年前，作為中國科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長，包云崗以中國科學(xué)院大學(xué)為大本營，立下“讓本科生也能做處理器芯片，讓本科生也能帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)”的目標(biāo)，并由此開啟了“一生一芯”項(xiàng)目。
如今，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)從第一期的5名學(xué)生，到參與人數(shù)破萬、覆蓋國內(nèi)外800余所高校，并開設(shè)多個(gè)高校工作室試點(diǎn)。這個(gè)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的“教育實(shí)驗(yàn)”，遠(yuǎn)超包云崗最初的構(gòu)想。
不同專業(yè)、不同學(xué)歷，這群在“象牙塔”里因?yàn)闊釔劬奂谝黄鸬哪贻p人，已經(jīng)開始學(xué)著主導(dǎo)自己的故事了。
讓本科生做芯片
2018年11月8日，在我國烏鎮(zhèn)舉行的世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，中國開發(fā)指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟正式成立。晚間的慶功宴上，包云崗提出一個(gè)大膽的想法——讓學(xué)生參與開源芯片建設(shè)。
“讓本科生也能做處理器芯片，讓本科生也能帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)。”包云崗一邊思考，一邊講述如何將教學(xué)和開源芯片相結(jié)合。桌上的人都漸漸放下筷子，聚精會(huì)神聽他介紹。
讓本科生做芯片，能成嗎？
“通過長期觀察，我發(fā)現(xiàn)我國在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的人才短板問題十分明顯，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的交流與合作不足。”包云崗告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)中，學(xué)生經(jīng)過四年或七年的理論學(xué)習(xí)后，再進(jìn)入工業(yè)界了解開發(fā)流程，周期長、耗時(shí)久。
“在有些學(xué)科（如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)），學(xué)生只有通過‘做中學(xué)’這種教育模式才能真正掌握知識，而不是聽講、閱讀與做題。”包云崗曾在知乎回答，實(shí)踐對于系統(tǒng)類課程至關(guān)重要。那么，“如何彌補(bǔ)教學(xué)環(huán)節(jié)中的實(shí)踐缺口，讓感興趣的學(xué)生盡早接觸真正的芯片開發(fā)流程？”
恰逢其時(shí)，RISC-V進(jìn)入了他的視野。
面對全球芯片行業(yè)被X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)壟斷的局面，美國加州大學(xué)伯克利分校教授克斯特·阿薩諾維奇（Krste Asanovi）和圖靈獎(jiǎng)得主大衛(wèi)·帕特森（David Patterson）決心打造一個(gè)開源指令集架構(gòu)。2011年，他們發(fā)布了RISC-V的初始規(guī)范，包括32位和64位的基本指令集。
一條新的賽道正在開啟——任何用戶都可以不受限制地獲得RISC-V指令集，并基于此進(jìn)行學(xué)習(xí)和擴(kuò)展，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的處理器IP或芯片。
這將是一座巨大的寶庫，或許有望改寫半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)則。
“2014年，我們就開始接觸RISC-V了。”包云崗敏銳捕捉到這一機(jī)遇。2015年，RISC-V國際基金會(huì)正式成立，計(jì)算所作為創(chuàng)始成員參與其中。
然而，面對陌生領(lǐng)域，應(yīng)該做些什么，又該怎么做？包云崗大膽假設(shè)：不如讓學(xué)生參與RISC-V的建設(shè)。
“一方面，RISC-V要快速發(fā)展壯大，需要更多人參與其中；另一方面，面對新技術(shù)，很多企業(yè)有顧慮，不敢貿(mào)然應(yīng)用。”仔細(xì)梳理后，包云崗想到了Matlab，這是一款從學(xué)校實(shí)驗(yàn)室“發(fā)家”的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，“從一個(gè)幫助學(xué)生理解數(shù)字計(jì)算的教學(xué)工具，逐漸發(fā)展成全球科學(xué)計(jì)算和仿真模擬領(lǐng)域的龍頭企業(yè)”。
這讓包云崗更加確信，“面對一個(gè)充滿不確定性的新興領(lǐng)域，學(xué)生反而更愿意嘗試新鮮事物”。他也曾總結(jié)Matlab發(fā)展折射的幾大理念，“追求把東西做出來，而不是把論文發(fā)出來；把東西用起來，而不是做完就扔；把教學(xué)場景用起來，而不是把教學(xué)當(dāng)作負(fù)擔(dān)；把打持久戰(zhàn)的意識樹立起來，而不是期望速勝。”
他決定開展一場教育實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生面對真實(shí)問題，親自動(dòng)手去做、去嘗試，并應(yīng)用所學(xué)的知識，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際的行動(dòng)和能力。
“我自作主張地給這個(gè)計(jì)劃起了個(gè)名字：‘一生一芯’，初衷是希望有一天每一名學(xué)生都能帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)。”包云崗笑了笑。
2018年烏鎮(zhèn)的那個(gè)夜晚，他提及的這一想法得到了在場老師的認(rèn)可和支持，“大家都關(guān)注到了芯片人才培養(yǎng)產(chǎn)學(xué)脫節(jié)的問題”。
“我相信‘一生一芯’終將改變芯片人才培養(yǎng)格局，但第一步必須打破‘本科生不能造芯片’的觀念桎梏。”包云崗神情嚴(yán)肅地說，“因此，選擇哪些老師、哪些學(xué)生參與，去哪里尋找合適的流片（即設(shè)計(jì)完電路后生產(chǎn)少量芯片樣品供測試用）渠道，各個(gè)方面都要做足準(zhǔn)備。”
“最大的困難在于轉(zhuǎn)變思維”
2019年6月14日晚上9點(diǎn)05分，包云崗在教學(xué)團(tuán)隊(duì)微信群里興奮地表示：“第一批‘小白鼠’找到了！”
“一生一芯”的首批“小白鼠”是中國科學(xué)院大學(xué)的5名2016級本科生。“這5名同學(xué)均被錄取為計(jì)算所研究生，我們逐一詢問了他們的意愿。”包云崗告訴《中國科學(xué)報(bào)》，盡管學(xué)生們心里打鼓，但都愿意接受挑戰(zhàn)。
包云崗和教學(xué)團(tuán)隊(duì)不敢懈怠。8月20日零點(diǎn)，微信群里依舊討論得熱火朝天：從總體方案到技術(shù)路線，從基礎(chǔ)平臺到開發(fā)環(huán)境，最后落實(shí)國產(chǎn)110納米工藝的流片渠道……敲定一切細(xì)節(jié)后，“一生一芯”計(jì)劃蓄勢待發(fā)。
8月27日，首批5名同學(xué)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)開了“簡單但意義重大”的動(dòng)員會(huì)。在場的人有的穿著短褲，有的穿著涼拖，但所有人的心情都和這個(gè)夏日一樣火熱。
然而，團(tuán)隊(duì)很快就碰到了“攔路虎”——要想在畢業(yè)答辯現(xiàn)場展示芯片，最合適的流片班車（即芯片生產(chǎn)時(shí)將多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)合并在一起進(jìn)行流片）時(shí)間只有12月17日，距離動(dòng)員大會(huì)不到4個(gè)月。
“最大的困難在于轉(zhuǎn)變思維。”計(jì)算所博士、“一生一芯”計(jì)劃培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)者兼首席講師余子濠打了個(gè)比方，真正的處理器是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，課堂上學(xué)生接觸的更像是填空題，實(shí)際工程中面對的卻是問答題。“課程實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是鞏固知識點(diǎn)，但在真實(shí)的芯片制作過程中，學(xué)生需要從全局視角分析問題。”
“芯片開發(fā)過程中可能會(huì)遇到各種困難，一些看似硬件設(shè)計(jì)的問題，最終可能是軟件配置錯(cuò)誤造成的。”包云崗解釋，實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)和科研工作中，往往不總是從頭開始，更多的是在已有的基礎(chǔ)上增加新功能、提高性能等，“這就需要培養(yǎng)學(xué)生‘理解—消化—?jiǎng)?chuàng)新’的能力”。
對教學(xué)團(tuán)隊(duì)來說，這也是“摸著石頭過河”的嘗試。
“我們當(dāng)時(shí)也沒有流片經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生更像是我們的隊(duì)友，一起探索。”余子濠說，沒有手把手教學(xué)，“一生一芯”項(xiàng)目堅(jiān)持教師引導(dǎo)思路、日常自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立解決問題、每周集中匯報(bào)，有條不紊地朝目標(biāo)前進(jìn)。
熱火朝天的討論間外，RISC-V市場也是一番熱鬧景象。
2019年被稱作“RISC-V進(jìn)入主流市場元年”，首屆“中國RISC-V論壇”召開、多家企業(yè)發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品……計(jì)算所也不甘落后，牽頭發(fā)起“香山”高性能開源RISC-V處理器項(xiàng)目。
千帆競發(fā)的市場態(tài)勢下，對人才的需求也水漲船高。2020年6月2日，5名學(xué)生發(fā)布了由自己主導(dǎo)設(shè)計(jì)的64位RISC-V處理器SoC芯片——“果殼”，真正讓“一生一芯”走進(jìn)了公眾視野。
“很高興能把課堂中的知識應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。”“一生一芯”首批成員王凱帆告訴《中國科學(xué)報(bào)》。后來，首批5名成員全部加入“香山”高性能開源RISC-V處理器項(xiàng)目，并成為技術(shù)骨干。
“考的就是真本事”
“第三期可以支持100名學(xué)生參加，有機(jī)會(huì)獲得自己設(shè)計(jì)的芯片！”2021年6月26日，包云崗在知乎發(fā)布招募令，“一生一芯”開始面向全國大規(guī)模招生。
不限專業(yè)、不限學(xué)歷，還能免費(fèi)流片，不少人躍躍欲試。
“第三期報(bào)名人數(shù)超過700人。”余子濠說。這可難壞了教學(xué)團(tuán)隊(duì)，老師少、學(xué)生多，該怎樣平衡教學(xué)資源？
“一生一芯”項(xiàng)目組的老師解壁偉想了個(gè)“好點(diǎn)子”——先選拔一批基礎(chǔ)好的學(xué)生擔(dān)任助教，再讓他們指導(dǎo)其他學(xué)生。這套“讓學(xué)生指導(dǎo)學(xué)生”的機(jī)制一直沿用至今。
第三期學(xué)員中，表現(xiàn)優(yōu)異者承擔(dān)起了助教的職能，計(jì)算所2022級直博生陳璐便是其中之一。她介紹說，目前“一生一芯”已建立了一個(gè)40~50人的學(xué)生助教團(tuán)隊(duì)。
“要成為‘一生一芯’的正式學(xué)員，先要經(jīng)過預(yù)學(xué)習(xí)階段，具備一定的基礎(chǔ)水平后再參加入學(xué)答辯。”余子濠詳細(xì)解答了“一生一芯”的培養(yǎng)流程，“報(bào)名‘一生一芯’后，學(xué)生助教會(huì)組織線上學(xué)習(xí)、答疑解惑，沒有截止日期（DDL）和硬性時(shí)間要求，完全是隨到隨學(xué)的模式”。
不過，這一靈活自由的教學(xué)模式也對授課內(nèi)容提出了嚴(yán)格要求，要讓大家都看得懂、學(xué)得明白，必須有一本足夠詳細(xì)、豐富、深入淺出的講義。
于是，在科研課題和“一生一芯”項(xiàng)目兩頭跑的余子濠，開始擠時(shí)間整理思路和內(nèi)容。一字字、一句句、一行行，慢慢地，從第三期120個(gè)字的簡單表格擴(kuò)充成44萬字的詳細(xì)講義。
“這套講義不僅教你知識，還會(huì)教你如何獲取知識。”上海科技大學(xué)2024級碩士生姜海天說，“相比市面上的其他教材，這本講義更成體系，任何人都能免費(fèi)獲取。”
“‘一生一芯’對絕大部分學(xué)生來說并不輕松，不僅要學(xué)習(xí)新知識，在新環(huán)境中使用新工具，還要鍛煉獨(dú)立解決問題的意識和能力。”余子濠解釋，“一生一芯”希望幫助學(xué)生完成從課堂學(xué)習(xí)到解決業(yè)界和科研真實(shí)問題的過渡，在理解知識點(diǎn)、具備全局系統(tǒng)觀的基礎(chǔ)上，尋找解決問題的線索。“講義不會(huì)告訴你所有細(xì)節(jié)，你需要從相關(guān)資料和代碼中找到重要信息。”
“獨(dú)立解決問題才是最大的訓(xùn)練。”余子濠反復(fù)強(qiáng)調(diào)，同學(xué)提供思路、助教幫忙設(shè)計(jì)方案、找“大佬”要一本攻略手冊……任何直接獲得答案的做法都是在放棄訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。“只有在試錯(cuò)中才能真正理解‘為什么好、為什么不好’。”
解壁偉笑稱，“一生一芯”的成功離不開兩大“法寶”，一個(gè)是豐厚、翔實(shí)的講義，另一個(gè)是認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)生助教團(tuán)隊(duì)。
2024年，姜海天也加入了助教團(tuán)隊(duì)。深感以往高度依賴人工維護(hù)培養(yǎng)流程的繁雜，他干脆設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化方案，用以支撐更大規(guī)模的人才培養(yǎng)。
最后，只有通過在線調(diào)試考核的學(xué)生，才能獲得流片機(jī)會(huì)。“助教會(huì)隨機(jī)注入3個(gè)程序漏洞或錯(cuò)誤（bug），涵蓋軟件、硬件和環(huán)境，學(xué)生必須在指定時(shí)間內(nèi)排除。”余子濠說，在真實(shí)的項(xiàng)目中，問題可能會(huì)出現(xiàn)在任何地方，“一生一芯”希望通過新型考核方式，引導(dǎo)大家掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全局構(gòu)建能力。“參考代碼、‘抱大腿’都沒戲，考的就是真本事。”
熱愛沒有門檻，也不是“名校特供”
“什么樣的事值得我們投入去做，甚至投入一輩子去做？有意義但難度很大的事情。”包云崗曾如此評價(jià)“一生一芯”，也曾笑稱自己“更像個(gè)啦啦隊(duì)長，給大家打雞血”。
“精神力量”是包云崗常常掛在嘴邊的詞，不僅包括信念的力量，更要有“干一行愛一行”的熱愛和內(nèi)驅(qū)力。
隨著“一生一芯”的招牌被越擦越亮，很多零基礎(chǔ)的“小白”也慕名而來。山東建筑學(xué)院2020級本科生王郅尊就是其中之一。
自幼學(xué)習(xí)美術(shù)的他，在一次寫生途中偶然刷到一篇知乎文章。“大家說‘一生一芯’難度很高，很多名校出身、相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都堅(jiān)持不下來。”他不信邪，“真有這么難嗎？我想報(bào)名試試。”
從藝術(shù)專業(yè)“跨行”學(xué)習(xí)芯片設(shè)計(jì)的他，起初甚至不知道什么是數(shù)字電容、模擬電路。他開始沒日沒夜地補(bǔ)課：C語言基礎(chǔ)、數(shù)字電路……“基本上一天能學(xué)12個(gè)小時(shí)”。主動(dòng)學(xué)習(xí)新知識、在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)并解決問題，在啃下“硬骨頭”的過程中，他慢慢萌生了對芯片的濃厚興趣。
“他對知識的理解能力、動(dòng)手實(shí)踐能力都很優(yōu)秀。”包云崗對王郅尊印象深刻，“如今，他已經(jīng)成了‘香山’項(xiàng)目開發(fā)中的核心骨干。”
從完全零基礎(chǔ)入門到完成流片大概需要500個(gè)小時(shí)。余子濠提到：“這和修讀本科計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向的所有核心課程，并完成相應(yīng)的課程項(xiàng)目所花的時(shí)間差不多。這樣看，人才培養(yǎng)沒有捷徑。”
“我們不看重學(xué)生的基礎(chǔ)，更重視他們做事情的態(tài)度。”包云崗反復(fù)強(qiáng)調(diào)，在他心里，“一生一芯”的最大特點(diǎn)是開源，用開放的姿態(tài)擁抱每一名因熱愛而相聚一堂的學(xué)生。這份熱愛沒有門檻，也不是“名校特供”。
目前，“一生一芯”的“朋友圈”越來越大：不少完成項(xiàng)目的學(xué)生因?yàn)闊釔鄱诟髯詫W(xué)校播撒著“一生一芯”的種子。
深圳技術(shù)大學(xué)“一生一芯”工作室負(fù)責(zé)人、該校2022級本科生楊昊天告訴記者，為了幫助更多零基礎(chǔ)的同學(xué)入門，他們對“一生一芯”進(jìn)行了更細(xì)的階段拆分，還設(shè)置了工作室小課堂、技術(shù)分享會(huì)等活動(dòng)。
同時(shí)，“一生一芯”也嘗試走進(jìn)課堂。計(jì)算所2025級直博生、“一生一芯”助教曾錦鴻表示，中國科學(xué)院大學(xué)的“開源處理器芯片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課”“希望將‘一生一芯’與課堂結(jié)合，讓大家對處理器芯片形成更系統(tǒng)的認(rèn)識”。
“不少高中生也積極參與，我們希望從中挖掘更多對芯片感興趣、有熱情的苗子。”包云崗說。此外，“一生一芯”還和產(chǎn)業(yè)界成功“握手”，同武漢凌久微電子開展了為期半年的培訓(xùn)合作，線下實(shí)踐基地的北京開源芯片研究院也獲得了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。
走過六載春秋的“一生一芯”得到了越來越多的認(rèn)可。而這些成就背后，匯集了無數(shù)人的熱愛與奔赴，其中包括學(xué)生、助教、老師，以及包云崗本人。
“總要有人去做一些不同的事。”包云崗曾在知乎寫道。開源芯片就是其中一件。“開源本身就是一種體制機(jī)制上的創(chuàng)新，而優(yōu)秀的開源項(xiàng)目就是一種記錄和傳播創(chuàng)新的出色載體，也是孕育創(chuàng)新的沃土。”
在以RISC-V為代表的開源芯片的新賽道上，賽點(diǎn)或許不是你有我無，也并非早一步或晚一步，而是開源生態(tài)的建設(shè)。“一生一芯”項(xiàng)目，為更多熱愛芯片的人提供了廣闊舞臺，也在這片沃土收獲了累累碩果。
這一場別開生面的教學(xué)實(shí)踐，也成了連接世界的橋梁。
今年3月，在“一生一芯”項(xiàng)目組的支持下，哈薩克斯坦歷史上首枚由本國主導(dǎo)設(shè)計(jì)的處理器芯片在中國被成功點(diǎn)亮。“這是‘一生一芯’計(jì)劃首次走出國門、走向世界的第一步。”包云崗興奮地在知乎寫道。
（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2025-04-29?第4版?高教聚焦）