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提速|“硅”上教学，能否提速芯片人才培养

_原题为 “硅”上教学 ， 能否提速芯片人才培养
中青报·中青网采访人员 孙庆玲
【提速|“硅”上教学，能否提速芯片人才培养】提速|“硅”上教学，能否提速芯片人才培养
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国科大首期“一生一芯”计划成果“果壳”芯片 。 中国科学院大学供图
提速|“硅”上教学，能否提速芯片人才培养
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“一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中科院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗在介绍“果壳”芯片 。 中国科学院大学供图
一枚近日亮相的处理器芯片 ， 在某知识分享平台收获了上千万的热度 。
这一芯片名为“果壳” ， 是一款64位RISC-V（意为第五代精简指令集——编者注）处理器“SoC芯片”（一种集成电路的芯片——编者注） ， 1角硬币般大小 ， 百万个严密排列的晶体管 ， 每秒运行数亿条指令 ， 能成功运行Linux操作系统以及中国科学院大学（以下简称“国科大”）教学操作系统UCAS-Core 。
这是国科大首期“一生一芯”计划成果——在国内首次以“流片” （通过一系列工艺步骤制造出物理芯片——编者注）为目标 ， 由国科大5位2016级本科生主导设计 ， 并成功实现了“流片” ， 将一行行数字世界的代码变成了能在现实世界运行的芯片 。
国科大这次对芯片设计人才培养的创新实践 ， 也让不少人为之一振——我国能否通过这一方式加快芯片相关人才的培养？
“能让每位学生都能带着自己设计的芯片毕业”
“处理器芯片被公认为芯片产业皇冠上的明珠 ， 设计复杂度高、难度大 。 我国处理器芯片设计人才严重紧缺 ， 如何加快此类人才的培养规模与培养速度 ， 是我国迫在眉睫的难题 。 ”国科大计算机科学与技术学院院长、中国科学院计算技术研究所（以下简称“中科院计算所”）所长孙凝晖院士说 。
针对这一现象 ， “一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中科院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗分析 ， “这和以前我国相关产业发展不充分有关系 ， 因为企业以集成国外芯片为主 ， 国内市场对于芯片设计的需求并不旺盛 ， 加上做芯片投入大、风险高 ， 就没有企业去往这个方向去想 ， 选择这一研究方向的学生也就没那么吃香 。 但是随着国内企业实力的增强 ， 芯片设计的需求开始快速增长 ， 但人才供给却严重不足 。 ”
“让学生参与到芯片设计中来 ， 让学生也能做处理器芯片” ， 包云岗想 ， 可以通过国科大“科教融合”这一人才培养模式降低芯片设计门槛 ， 让学生能设计自己的芯片并流片可大幅提高人才培养效率 ， “我们不能再耽误了 ， 要加速人才培养计划” 。
2019年8月27日 ， 国科大正式启动“一生一芯”计划 。 这一名字是包云岗起的 ， 他希望有一天 ， 能让每一位学生都能带着自己设计的芯片毕业 ， “不管未来是不是真的能实现 ， 这至少听起来是一个美好的理想” 。
那天 ， 参加“一生一芯”计划的首批5位同学和教学团队 ， 就在包云岗的办公室开了场简单的动员大会 ， 制定了基于教学处理器开发的技术路线 。 此时 ， 距离12月17日那天的流片“班车”不足4个月 。 如果错过这趟“班车” ， 该团队则需再等两个月赶下一趟 ， 这就意味着 ， 芯片不可能在毕业答辩时返回 。
“硅”上教学 ， 让学生不再害怕做芯片
“一生一芯”团队需要跟时间赛跑 ， 至于能不能跑得赢 ， 包云岗心里“也没底儿” 。
芯片的设计、制造是个复杂的过程 。 首先 ， 团队需要基于指令集进行微架构设计 。 RISC-V就是一种指令集 ， 它类似于螺母和螺钉的尺寸规范 ， 是计算机系统中硬件与软件之间交互的规范标准 。 而微架构设计 ， 就是将指令集手册定义的功能实例化 ， 通过工程开发变成源代码 。 之后 ， 需要通过电子设计自动化（EDA）工具将源代码“翻译”成芯片版图 ， 再将版图提交给相应企业流片、封装 ， 才能获得芯片 。
这是国科大2016级本科生金越参与的第一个实际项目 。 让他感受深刻的是 ， 这样的项目不是课程作业 ， 老师不再手把手地教你 ， 实验环境需要自己查资料搭建 ， 指导书和路线也需要自己确定 ， 并且根据这个路线你不知道是否能做出来 。 “真正参与到项目中才知道课程作业就像直接给人采摘的果园一样 ， 但项目却是给一片荒地和几棵果树苗 ， 从开垦种植和施肥都要自己动手 ， 并且还不知道这样能不能结出果实” 。
“这相当于一次实践课 ， 可以把学生学过的相关知识都串起来 。 但有些关键模块的工作原理是课堂上没有介绍过的 ， 同学们需要进行一些探索性的尝试 ， 有时甚至要将此前的设计推倒重来 ， 他们会感到焦虑或沮丧 ， 这对他们的心态也是很大的考验 。 ”包云岗说 ， 教学团队不仅需要给予技术指导 ， 还要对学生的心态进行引导 ， “告诉他们不确定性是探索过程中的客观规律 ， 引导他们去总结探索失败的经验 ， 让他们正确认识到探索失败的意义” 。


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