芯片：本科生用几个月就能天博官方网站设计甚至流片了？ 对「一生一芯」计划祛魅+敬畏

　　近期，5名本科生以一款芯片作为毕业作品顺利毕业的新闻吸引了社会各界的关注，这个被称作「

　　回想一下7月中旬才刚过去不久的全国青少年科技创新大赛「小学生研究癌症」丑闻，笔者也同样是这个大的质疑群体的一份子。

　　对网络上相关信息挖掘了一番后，笔者对这个「一生一芯」计划的态度大致就可以总结为如标题所言的两个关键词：祛魅和敬畏。

　　2020年7月25日，中国科学院大学（以下简称「国科大」）公布了这所学校首期「一生一芯」计划所取得的亮眼成果：由5名2016级（2020届）本科生主导完成了一款采用RISC－V架构的64位SoC芯片的设计并且实现了流片。这款被命名为「果壳（NutShell）」的芯片项目，耗时4个月，采用了中芯国际110nm工艺实现流片，它可以成功运行Linux操作系统，以及由学生自己编写的中国科学院大学教学操作系统UCAS－Core。

　　5名本科生分别是：王华强、金越、张紫飞、王凯帆、张林隽，他们都是国科大计算机科学与技术学院2016级本科生，项目开始时，他们都已通过了中国科学院计算技术研究所的保研夏令营，成为「一生一芯」计划首批吃螃蟹的人。

　　2019年9月，他们首次开始参与到「一生一芯」项目中，设计到哪就学习到哪，十月，团队成员都已参与到了开发当中，所以那时的代码中就有了很密集的开发记录。12月，芯片「果壳」投片，返回样片可加载Linux并运行用户应用。芯片之所以被叫作「果壳（Nutshell）」，是因为中国科学院大学的简称「国科大」和「果壳」谐音。

　　芯片的开发时间规定得比较紧，尤其是要和代工厂的时间安排对接，所以项目的代码冻结有硬性的时间要求，因此，起初项目成功几率并不被很看好。

　　2019年12月16日左右，前端设计已基本稳定，最后的流片也是采用了这一阶段某个节点的代码。「果壳」的代码托管在GitHub平台上，项目受到了非常多的关注。

　　团队成员表示，相对于「一生一芯」项目，以往的课程实验就像温室里的小花朵，「一生一芯」项目没有具体的设计文档告诉参与者要做到哪种程度，团队成员就必须按照自己的感觉去摸索，逐步一个一个地去踩没踩过的坑。

　　王华强表示：「一生一芯」项目中，所有的东西都可以自由发挥，因此很多东西都需要自己去从零到一先弄懂，然后再自己去努力实现。

　　金越则说：「第一次能把自己设计和验证的芯片拿去流片，觉得既紧张又兴奋，被告知可以正常地运行操作系统时，就觉得，这个事情真的做成功了」。

　　据当事人自己介绍，「一生一芯」的顺序核设计里，王华强主要负责处理器流水线部分的设计，换句话说，他的工作就是让这个处理器能够运行一些简单的指令，同时给其他同学往上添加功能提供一个大概的框架。他的论文标题是：《基于RISC－V的乱序多发射处理器设计》。

　　张紫飞主要负责设计TLB模块，即将虚拟地址转换为物理地址，TLB的很多小细节容易出错，所以王华强也没敢过早合并代码。张紫飞的论文标题是：《基于RISC－V的向量处理单元设计》。

　　金越负责外围设备IP核的验证和设计工作，他的论文标题是：《基于敏捷开发语言的开源处理器非阻塞缓存的设计与实现》。

　　王凯帆主要负责参数可配置化和开源社区的维护工作，他的论文标题是：《RISC－V平台下的二进制翻译与优化》。

　　张林隽负责二级缓存及预取模块，她的论文标题是：《开源处理器分支预测器的设计与性能优化》。

　　随着5个本科生「带芯毕业」新闻逐渐发酵，质疑声越来越大，项目细节也越来起获地被公开了出来。

　　显然，项目导师和团队成员们都没有小看芯片设计的难度。据说2019年夏天，「一生一芯」计划团队成员张紫飞第一次听到该计划时的第一反应是：「天方夜谭吧」？让几个本科生用几个月时间，设计出一颗能够运行Linux这样复杂操作系统的芯片，真的可能吗？

　　在包云岗看来，在开源时代，将芯片设计的门槛降下来，是可能的。包云岗是「一生一芯」计划负责人、国科大计算机学院教授、中国科学院计算技术研究所先进计算机系统研究中心主任。包云岗觉得，开放指令集RISC－V与芯片敏捷开发语言Chisel，能使开发效率数量级提升。

　　RISC－V指令集是包云岗近几年的研究重心，可以自由地被用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC－V架构的芯片和软件。

　　2019年5月，华为被美国商务部列入实体名单的事件，间接推动了项目的细化和落地，包云岗迅速将他模糊的想法细化了：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。8月，「一生一芯」计划正式启动，它被视作一次教学实践。

　　针对网络上的各类质疑，研究团队的成员表示没有想到这个项目会在网络上引起这么大的反响，他们承认芯片设计「其实还是非常困难的」，「果壳（Nutshell）」只是触及到了芯片设计的冰山一角，做得还非常简单、非常浅薄。他们还表示，「我们确实走了一条相对比较完整的流片流程，但并不意味着其中所有的工序都是由我们做的，比如说后端的一些操作，比如流片过程中后面的一些测试工作，包括操作系统的适配，其实都有老师和师兄做一些指导和帮助。」

　　由此可见，「果壳（Nutshell）」至少是站在了导师和师兄等前辈构筑起的基础之上，在获得不少帮助的前提下完成整个流程工作的。

　　在刚刚于8月底举办的2020中关村论坛未来青年论坛上，包云岗讲述了一段有参考性的历史：1982年，全美国只有不到100个教授和学生从事半导体研究。当时半导体产业最强国已变成了日本，起源国美国反而处于低谷。

　　包云岗说，美国人解决产业人才危机的方法就是「降低设计门槛，让学生也可以设计芯片，可以流片」。

　　美国政府1981年启动的MOSIS项目，通过MPW（多项目晶圆）模式大幅降低芯片设计门槛。三十余年来为大学和研究机构流片60000多款芯片，培养了数万名学生。可见，显著降低芯片设计门槛可以大幅提高芯片产业人才培养效率。

　　包云岗表示，他所做的这一切，是希望推动中国芯片产业和学术界把芯片设计的门槛降下来。

　　如上所述，「果壳（Nutshell）」团队承认芯片设计非常困难的，他们只触及到了芯片设计的冰山一角，做得还非常简单、非常浅薄，项目的一些后端操作也都有老师和师兄做一些指导和帮助。

　　在这种基础上，「一生一芯」计划的研究对象也还是属于教学芯片的层面，与能落地商用的数字芯片不可同日而语。通过一些图片、视频资料也可以明显看出，这款芯片相对于我们更常了解其信息的手机、电脑芯片那种轻薄小巧精致的外观而言，还是比较粗大、粗糙的。如今7nm工艺的芯片已经大面积出货，5nm芯片已大规模量产，很快也将大量供应智能手机等产业，中国最大的芯片代工企业中芯国际的最先进制程也已达到14nm，而「果壳（Nutshell）」用的还是落后了多代的110nm工艺。

　　说到底，就如同「一生一芯」计划的推动者所言，这个计划更多的还是通过丰富的教学实践活动，为中国芯片设计和制造发展积累更多的人才资源。

　　包云岗也说，「开源芯片至少现在还不能用来应对那些最顶尖、最高端的芯片，更多还是用于设计中低端的芯片。这类芯片的特点就是量大、应用广，但对成本又比较敏感，要求更高的性价比」。比如手机芯片，目前还很难用开源的方式解决。

　　目前，相比于两大最主流架构x86和ARM，基于开源的MIPS和RISC－V等架构的芯片往往都如包云岗所说，更多还是中低端的芯片。要基于它们开发高端芯片，需要结合高端工艺并经过多年的积累。

　　中国人较为熟悉的芯片，如华为的海思麒麟（以及5G基站芯片天罡系列、5G基带芯片巴龙系列、服务器芯片鲲鹏系列等）、小米的松果电子澎湃芯片等，多是基于ARM架构。PC及一些工业、企业商用芯片则很多采用x86架构，每一个都是投入巨大且历经多年，而如小米的松果电子澎湃芯片还处在尴尬的长期无新品的尴尬境地。

　　芯片产业的新晋势力天博官方网站1，面对巨大的困难，对这个充满诱惑的产业还是不得不保持足够的敬畏。

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