“造芯”畢業(yè)

張蓋倫

芯片設計類似于畫一張大樓的施工圖紙。只不過，呈現(xiàn)這張圖紙，用的不是線條，而是一種叫作Chisel的硬件語言。

5位本科生，主導完成了一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計并實現(xiàn)流片。這款芯片，被稱作他們的 “最硬核畢業(yè)證書”。

芯片是今年5月底快遞到王華強家的。

它大概一元硬幣大小，上面刻著 “COOSCA-01”和“一生一芯”的字樣，還有國科大的Logo。

COOSCA是一個內部代號，是國科大計算機科學與技術學院的3門課程——計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機架構的縮寫?！耙簧恍尽眲t是計劃的名字，意思是讓每位本科生帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)。

受新冠肺炎疫情影響，今年國科大的本科畢業(yè)答辯在線上進行。王華強代表“一生一芯”團隊，向答辯委員會的老師遠程展示了芯片。他把芯片裝上測試板，用串口線將測試板與電腦連接，打開電腦上的終端軟件，按下測試板上的復位鍵，運行了幾個簡單的程序——Linux系統(tǒng)跑起來了。

然而，去年夏天，“一生一芯”計劃參與者張紫飛第一次聽到該計劃時的第一反應卻是“天方夜譚吧”。讓幾個本科生用幾個月時間，設計出一枚能夠運行Linux這樣復雜操作系統(tǒng)的芯片，可能嗎？

“一生一芯”計劃負責人、國科大計算機學院教授、中國科學院計算所先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗則覺得，在開源時代，將芯片設計的門檻降下來，是可能的。

中國的處理器芯片設計界，缺人。2019年5月，華為被美國商務部列入實體名單，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化：讓學生學習并實踐芯片敏捷設計方法，參與芯片設計實現(xiàn)，通過大學流片計劃完成芯片制造。

如果學生能帶著他們自己設計的芯片實物畢業(yè)，這會是最特別的畢業(yè)紀念。

2019年8月，“一生一芯”計劃正式啟動。包云崗將之稱為一次教學實踐。國科大校領導認為，它會掀起本科教學改革的新篇章。

5位參與的學生是金越、王華強、王凱帆、張林雋和張紫飛，他們都是國科大計算機科學與技術學院2016級本科生，那時也都已通過了中國科學院計算技術研究所的保研夏令營，成為首批吃螃蟹的人。

在王華強看來，如果能用自己做的芯片運行自己寫的操作系統(tǒng)，“很浪漫”。

其實，在學生們面前的，是一條沒有人走過的路。

難度究竟如何，耗時需要多久，可能會有什么坑……通通都是未知數(shù)。沒有導航，他們需要自己打怪升級，自己試錯嘗試。

當然，他們也并非是在白紙上作畫。

教師團隊已經制定了總體方案，確定了技術路線，選擇好了基礎平臺，搭建了開發(fā)環(huán)境，也選定了流片工藝和班車。5位學生真正動手之前，一支實力強大的教師團隊，為學生的乘風破浪，做好了保駕護航的準備。

做芯片，其實分為前端和后端。前端主要是做設計，用數(shù)字電路的方式實現(xiàn)處理器的功能;后端則是用物理元件來實現(xiàn)這些設計。

“要說芯片都是我們做的，并不準確。其實我們只是做了前端的邏輯設計部分?！蓖鮿P帆強調。

他嘗試用最通俗的語言向記者解釋設計芯片是怎么一回事——類似于畫一張大樓的施工圖紙。只不過，呈現(xiàn)這張圖紙，用的不是線條，而是一種叫作Chisel的硬件語言。

此前，包云崗團隊中的博士生余子濠為南京大學開發(fā)了一款教學用RISC-V處理器，“一生一芯”計劃的學生要在此基礎上進行改進，把師兄搭建的房子，改建得更舒服、更亮堂。

對新手施工設計團隊來說，他們蓋的第一棟房子，要保證的是屹立不倒?！耙悄拿鎵Ψ佩e了地方，或者墻體本身設計的承重強度不夠，整棟樓也就塌了。”王凱帆說。

從2019年8月正式動手設計，到12月中旬交付設計圖紙，5人組踩過坑，給別人挖過坑，也掙扎著從坑里爬出來過;他們曾熬夜和不知躲在哪里的錯誤死磕，還要對抗可能拖延隊友進度的焦慮。

學生們在總結時寫道，課程作業(yè)就像直接給人采摘的果園，“一生一芯”計劃卻是給一片荒地和幾棵樹苗，從開墾種植到施肥都要自己動手，并且還不知道這樣能不能結出果實?！安恢獮楹危瑥?開始種出的果實好像要更甜一些?！彼麄冋f。

2019年12月，這款芯片的設計版圖正式提交，基于中芯國際110nm工藝完成投片。

對5位學生來說，他們的工作也暫時告一段落。接下來的重心，是完成以芯片為基礎的畢業(yè)設計。

正式流片之前，團隊已經在模擬機上反復測試過多次。但仍然沒人能打包票，芯片就一定能實現(xiàn)預期的功能。

無可否認的是，壓力更大。

此前的芯片設計，更像是“紙上談兵”，成功了固然好，失敗了好像也無所謂。但是這次，投入真金白銀去流片，能不能用，幾個月的努力會不會打水漂，流片后就能見分曉。

2020年4月23日，學生們從微信群里得知，他們親手設計的處理器芯片返回了。

但這并不是終點，還需要進行測試驗證。

這段測試經歷，同樣也是一波三折，甚至有點戲劇性。

芯片回來后，團隊里的老師們上手測試了幾顆，結果芯片真的就是塊“磚”，沒有任何輸出。一陣忙亂后他們才發(fā)現(xiàn)，原來是主板上的一根電源線接錯了，芯片“出師未捷身先死”，被燒壞了。

后來，又因為一個串口時鐘頻率設置問題，芯片性能始終不正常。折騰了一段時間，芯片才被調整到最佳狀態(tài)。

6月2日，在畢業(yè)答辯現(xiàn)場，王華強展示了芯片的工作流程。后來，王凱帆還將國科大操作系統(tǒng)課程上同學們自己編寫的UCAS-Core移植到了COOSCA核上，完成了用自己寫的CPU運行自己寫的操作系統(tǒng)這件“浪漫”的事。

國科大的學生將自己的母校簡稱為“果殼”，所以，果殼（nutshell）也就成了“一生一芯”計劃首款芯片的正式名字。9月3日，王華強將代表團隊向全球同行介紹“果殼”的設計，這也將是“果殼”首次在國際舞臺上亮相。

“國科大學生硬核畢業(yè)證書”一度成為網上的熱議話題。

他們的平均年齡，只有21.8歲。包云崗說，等他們30歲時，就可以說已經是處理器芯片和計算機系統(tǒng)設計領域的“老兵”了。無論他們是進入業(yè)界還是學界，創(chuàng)造力會得到更大的發(fā)揮和展現(xiàn)?！拔覍@批年輕人的未來充滿期待?！?/p>

◎ 來源|科技日報