5个本科生4个月做出1款中国芯?是奇迹?

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(原标题:国科大5个本科生,4个月做出1款中国芯?是奇迹还是骗子?)

8月7日,华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会2020年峰会上表示:
9月15日之后,华为麒麟系列芯片将无法制造,成为绝唱。
面对美国的制裁,不知不觉中,“华为芯”挺了快一年了。现在,它快要撑不住了。

5个本科生4个月做出1款中国芯?是奇迹?

去年5月,华为被美国制裁,海思芯片惨遭重创。
中科院科研人员主动找到华为,想要给予技术帮助。
但当时中科院正在研究RISC-V开源芯片技术,而华为的主力芯片都是基于ARM。
在这种危机时刻,中科院一点忙都帮不上。
华为,只能靠自己。
7月15日,一则“五位2016级本科生主导完成了一款64位RISC-V处理器SoC芯片的设计,并实现了流水线制造”的消息,引发了芯片行业的震荡。
参与项目的五位同学,将这枚芯片命名为 “果壳(NutShell)——发音与“国科” 相似。

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这款芯片可以成功运行Linux操作系统,以及由学生们自己编写的国科大教学操作系统UCAS-Core。
本科生设计芯片,这是中国大陆的第一次。
在媒体争相报道中,一个叫做“一生一芯”的计划,浮出了水面——在发现帮不上华为之后,中科院启动了这一计划。
芯片制造,本科生,这两个词放在一起,无论你怎么看,都会显得很怪异。
承接这个项目的中国科学院大学师生,也很忐忑。但一年后,他们把不可能,变成了可能。
参加首期“一生一芯”的五位同学,分别是金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞。

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他们大学相关课程成绩多数在90分以上,且都通过了计算所暑期夏令营面试,均被录取为国科大计算所的研究生。
在被招入“一生一芯”时,他们都不知道,自己接下来要做的事情,是一件很大很大的事——
为中国芯片,趟一条路。
01
2018年11月,包云岗去乌镇开世界互联网大会。
彼时,他的身份是中科院计算机研究中心副主任,同时也是中国开源芯片生态(RISC-V)联盟的秘书长。

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在他的牵头下,经过9个月的辛苦筹备,中国开源芯片生态(RISC-V)联盟在乌镇成立了。
当晚在乌镇一家餐馆庆祝时,包云岗被一旁的老师问了一个问题:

“中国的开源芯片,你以后打算怎么做

?”
包云岗一下子被问住了。
当发现帮不到华为之后,这个问题在一直苦恼着他。
他和华为的专家交流后发现,目前华为的芯片架构设计团队很多在美国硅谷。
由于美国的出口管制,导致其技术也不能输入到华为总部,华为在美国的芯片人才不能再发挥作用。
没办法,华为智能在国内招人。待遇什么的都开好了,华为发现,国内竟然几乎招不到人

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众所周知,中国芯片产业缺人。
而且是急缺。
2018年,中国集成电路专业领域毕业生多达20万,但留在本行业的只有3万人,八成以上都在转行。
到2020年前后,我国集成电路行业人才需求规模约72万人,现有人才存量只有40万,缺口多达32万。
铁打的行业,流水的人才。

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拿芯片架构师来说,一颗芯片,性能的60%取决于架构师。
他们是芯片灵魂的缔造者。
而在国内,合格的架构师不超过三位数,顶级的架构师不超过两位数。
还不如邻国日本的一个零头。
不仅是顶端设计人才,人才缺口遍布行业的方方面面。
芯片流水线的制造工人、操作工人、封测工人、设备协调工人、企业管理人才等等,全都面临着无人可用的境地。

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在这之前,包云岗曾统计过半导体行业顶级会议ISCA论文作者在最近十年内的职业去向。
结果令他失望。
这些优秀的校园人才有多达96%会选择在美国就业,只有可怜的4%会选择留在国内。
行业急需高校补上人才缺口,但高校自身的人才却在不断流失。
由于多年来产业的落后,导致大部分半导体毕业生不是出国,就是转行去了互联网、计算机等行业。
留在半导体行业的人,屈指可数。

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在教育行业深耕多年的包云岗明白,这其中的原因,除了薪资待遇之外,和高校自身的产教脱离也有很大关系。
他旁听过很多大学的课,发现很多学校的教程,仅仅停留在概念阶段。
但除了理论知识,学生们的实际操作次数一只手都数的过来。
就拿流片来说。
流片是在芯片设计完成后,带入工厂生产线的一整套的芯片制造过程。
但这些年来,国内几乎没有高校会在本科人才培养阶段安排流片。
别提本科生,就连研究生都很少有机会。
因为缺少实践,学生们直到毕业后才发现,工作和课本所学相差太远了。

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从上图中我们看到。
左图中现有的课程体系,与学科前沿有着非常大的鸿沟,甚至与工业界主流技术和方法学都有很大的差距。
这无疑说明,我国大学现有的课程体系已经严重脱钩。
因此,包云岗萌生了一个想法——要不要让学生们参与到芯片设计和制造之中去?
在应用中学习,学习中应用。
通过这种方式,既能加速人才的培养速度,也能促进产教融合。
让学生在学校时就能掌握复杂的芯片制造,缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期,在进入企业后就能适应得快一点。
包云岗深刻意识到,人才加速计划一分一秒都不能再耽误了。
要马上开始。
02
“一生一芯”,是包云岗为这个加速计划起的名字。
很多人听到这个名字,都以为是,“一生一心一意爱一人”。
但包云岗的原意,是希望有一天能让每一个学生都能带着自己设计的芯片毕业。

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“一生一芯”确定后,张云岗开始招揽人才。
他最初联系了几位国科大的本科生同学,询问他们愿不愿意参加这个“一生一芯”计划当小白鼠。
刚开始还有些忐忑,担心同学们会不会不感兴趣。
但意外的是,这些准00后(98/99出生)没有退缩,都马上回复表示同意,非常积极地表示愿意挑战一下,愿意当小白鼠。
金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞五位同学代表随即很快被选出。
同时,这个计划上报到国科大管理层,得到了李树深校长的高度重视,迅速累计召集5个以上部门,来协调扶持该计划。
全校上下万众一心,推动这项计划的开启。
很快,芯片内部代号“COOSCA”也已经起好,是三门课——计算机组织(Computer Organization)、操作系统(Operating System)、计算机体系结构(Computer Architecture)的缩写。

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“一生一芯”群中的讨论
人凑齐后,日程立刻安排上。
就像真实残酷的公司竞争一样,同学们一上来面对的就是紧迫的时间压力。
中科院确定了最合适的流片班车是12月17日,这样能保证芯片在4月份完成封装,返回学校进行测试。
如果一切顺利,那就可以赶上五月底的国科大本科毕业答辩,到时可以在答辩现场展示芯片。
但是如果错过这趟班车,那就需要再等2个月赶下一趟班车,这就意味着芯片不可能在毕业答辩时返回。
为此,他们只有不到4个月的开发时间。
如此短暂的时间,让每一天看起来都极其宝贵。
8月20日,国科大落实中芯国际110nm工艺的流片渠道。七天后,“一生一芯”计划火速启动。

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真实的芯片开发,要比课堂上所学复杂得太多。
作为一位开发者,需要对芯片每一个模块的行为都有所了解,还需要了解程序在芯片上运行的每一处细节。
这和课堂授课,截然不同。
而刚刚从课堂走出来的五位同学,不仅需要综合应用学过的知识,还要自学大学里没有讲的工作原理。
就好比刚刚学会画建筑设计图的学生,突然要求建一座房子。
这让他们一下子很不适应。

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无数次,他们甚至需要将所做的东西推倒重来,为此他们承受着很大的压力,沮丧和焦虑甚至成为日常。
和技术相比,心态变成了更大的考验。
面对种种挫折,国科大的导师们引导他们去总结原因,告诉他们不确定性是探索过程中的客观规律,让他们正确认识到探索失败的意义。
虽然任务极具挑战,但同学们不断有进展,每取得一个小里程碑,大家都会记录下那个时刻,甚至精确到分钟。
最终,进展越来越多,同学们迈过的困难越来越多。
12月19日,靠着所有人的团结一心,COOSCA 1.0芯片版图最终完成,当版图正式提交给中芯国际时,大家如同高考交卷一般,如释重负。

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但短暂的放松,又被疫情打破。
1月23日,随着国内疫情不断恶化,中芯国际工厂制作中的那颗COOSCA芯片能否按时返回,成了同学们心中悬着的一根弦。
如果制作拖延,就不能赶上毕业答辩,那所有人在这4个月里的努力便付诸东流。
但令他们惊喜的是,中芯国际和封测企业的员工们克服了疫情的影响,在这些坚守在一线的工作人员的努力下,芯片按照预期时间返回了。
同学们按时看到了他们珍贵的劳动成果。

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然而疫情还是对测试工作带来了一些小插曲。
因为芯片需要现场调试与测试,但由于疫情原因学生们不能返校。
这时,余子濠、蔡晔和刘彤三位同学挺身而出,主动到学校协助调试测试工作。
测试验证工作看似简单,但实则很有难度。
因为从底层PCB版图、到上层操作系统、内存颗粒到中间处理器设计、应用软件,每个层次都可能出问题。
哪怕一个很不起眼的小问题,都会造成芯片无法正常工作。
经过大约1个月的调试测试,终于证明芯片一切正常,可以成功运行Linux操作系统。

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最终,王华强同学代表“一生一芯”团队展示了COOSCA芯片的功能。
五位本科生仅用四个月的时间,从零到一,成功实现了靠自己设计处理器芯片这个之前想都不敢想的目标。

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据同学们介绍,“果壳”的最高工作频率是350MHz,CoreMark 测试跑分为1.49/MHz。
严格意义上来说,它是一款教学芯片,而非产品芯片
虽然和商业处理器相比仍有一定差距,但 “果壳” 已经算得上是功能较为完整的处理器芯片了。
可能对于实际工作的芯片设计者来说,设计这样的芯片并不算太难。
但是对于学生而言,亲身经历完整的芯片设计流程,对以后的职业生涯大有裨益。
参与芯片研发的唯一一位女生张林隽同学也表示:“先完成,后完美。一定要勇敢地试错,我们只要迈出第一步,接下来其实都是顺其自然的。”

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7月22日,“一生一芯”团队再收到一个好消息。
团队成员之一王华强收到了“果壳”被RISC-V全球论坛的接收通知。
两个月后,他将代表团队向全球业界介绍“果壳”的设计,这也将是“果壳”首次在国际舞台上亮相。
这次RISC-V全球论坛的日程,报告均来自世界各地的业界资深专家,还包括图灵奖得主David Patterson教授。
国科大本科生能登上RISC-V全球论坛介绍他们设计的处理器核,在国际上也是难得一见。

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后来包云岗发现,国外知名大学也有相似的课程。
美国加州大学伯克利分校于2017年开启的一门名叫94/290C “28nm SoC for IoT”的新课,和“一生一芯”计划最为相似。
这门课同样以制作芯片为目标,由9位本科生与1位研究生参加,通过一学期完成了全部芯片制作,但未提供信息证明芯片能正常工作。
但不同的是,这门课是根据已有的RISC-V核和其他IP核进行SoC集成,而国科大要让学生直接设计一款64位RISC-V处理器。
在这个基础上,进一步制作一个能运行Linux操作系统的芯片。
相比之下,“一生一芯”的难度要大得多。
即便是在这样的情况下,五位同学,还是完成了项目。
并且,他们获得了比一枚芯片,更重要的东西。比如探索心、耐心、成就感……而这些,也是中国芯片行业需要的。
03
1982年,美国半导体行业也曾面临人才危机。
上千所大学中,只有可怜的不到100位教授和学生从事相关的研究
产业慢慢凋零,薪资骤减,没有人愿意报考这门专业。
校园储备人才骤减,导致企业无人可用。
产生恶性循环。
为了改变这种颓势,1981年,美国国防部高级研究计划署 (DARPA) 启动了MOSIS 项目,为大学提供流片服务。
MOSIS就像一个组织机构,把芯片设计的门槛降低,使大学里面也可以设计芯片、做流片,
高校设计好后,MOSIS将图纸提供给三星、格罗方德等知名芯片代工厂,它们免费为大学流片。 
反过来,大学向MOSIS提交设计经验,并交给企业一份测试报告。

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30多年,MOSIS和美国各大半导体公司合作,为大学和研究机构流了60000多款芯片,培养了数万名学生,使美国芯片设计迎来大爆发。
英伟达、高通这些芯片巨头,都是在MOSIS上孵化出来的。
如今美国知名的半导体企业,依旧保留这项传统。
它们会将自己的几条产线预留出来,免费给学校用,即使流片的成本不菲,哪怕赔钱,也依旧坚持做。
作为投桃报李,学校向企业输出人才和研究成果。
这种良性循环,让美国的至今芯片人才数量仍然保持着很高的水平。
长年累月下来,人才优势就体现出来了。

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受到MOSIS启发,中国台湾也沿袭了这种模式。
台湾最大的半导体公司台积电,也会为当地的大学专门预留出一条流水线。
学校教学课程里面也有一门课,可以让选修它的同学们去流片。
为了激励学生们积极参与,课程中还加入了不同组之间的PK。
这往往会起到意想不到的效果,有些组的结果甚至令导师们都始料未及、拍手称赞,甚至部分作品被台积电买下专利,改良后应用到市场。
而且,在学生们完成作业的同时,导师们充分信任学生们的自学能力。
只引导,不干预,允许学生们失败。
课程的第一章就讲到:雷霆雨露,俱是君恩。成功失败,都是收获。
并且这门课不只顶尖大学可以上,很多普通院校都有在台积电制作芯片的机会。

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欧洲的大学也一样。
比利时的鲁汶大学,微电子研究生阶段有一门十分有名的课,叫做电子芯片设计(P&D Electronics and Chip Design)
这门课有一项大作业,要做一个混合信号接收机(mix signal receiver)。
接收机所需要的芯片,需要同学们自己设计制作完成,最终会送到工厂流片。
所有参加课的学生,分成4个人一组,做完这项作业后,第二年就会得到一个自己制作的芯片。
而在鲁汶大学旁边的微电子研究中心(iMEC),会负责免费给学生们流片。
通过这种合作,学生能完整地学习芯片设计的全过程,同时企业可借此从事尖端的研究计划,并在高校储备人才。
大学和企业,可谓双赢。
尾声
国科大的“一生一芯”,同样借鉴了这种做法。
有人说已经晚了。
但我觉得,做一件事情最好的时间是10年前,其次就是现在。
关注实战,产教结合,将学生带入生产线,不纸上谈兵,永远是培养芯片涉及人才的最好方式。
而“一生一芯”的作用已经开始显现。
经过这次历练,五位同学已经在参与一个新项目了——开发一款高性能乱序多发射RISC-V处理器核的设计。
一年前,他们在做“果壳”时还有些吃力,现在已是这个新团队中的骨干,和其他博士生们相比,丝毫不落下风。
这支队伍平均年龄只有23.1岁,但他们的战斗力是惊人的——不到三个星期就从头开始完成了乱序处理器主流水线的设计与实现,并且通过CoreMark测试。
“一生一芯”对这些孩子们成长的推进,肉眼可见。

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等到他们30岁时,就已经是计算机和芯片领域和的“老兵”了。
那时,他们将进入各自的工作岗位,或许在学术界做研究,或许去前线研发产品,能力会得到更大的发挥和展现。
国科大表示,“一生一芯”计划不会停止,还会继续向向全国辐射。
力争3年后,在全国每年能培养500名学生,5年后实现每年培养1000名学生,10年达到每年培养一万名学生。
同时,国内其他高校也在蓄力。
今年六月份,即将毕业的电子科技大学示范性微电子学院首届本科生领取毕业证时发现,除了证书,还多了一份特殊的礼物——
一个嵌入了一枚2.8mm*2.8mm芯片的钥匙扣。

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每一位示范性微电子学院的本科生,都会参加一个叫做“‘三个一’工程”的创新式课程。
课程内容包括——一年企业实习实训、一次芯片流片。
大三上学期,同学们要在这门课中完成芯片设计。
大三下学期,大家设计的芯片将送往企业进行流片加工,大四上学期返校学习时对流片返回的样品进行测试验证。
一年企业实习实训则分别安排在大三下学期和大四下学期,做到与实验课程、芯片流片无缝衔接。

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2016级学生在江苏常州某IC企业进行集成电路工程项目实习
有些同学甚至在实习开始时就能独立完成一些电路设计工作,本科就成长为一名优秀的集成电路设计工程师。
一位参与全程的学生这样说:
上过这门课后,如果是数字组的芯片的话我就参与了她从前端到后端的所有流程,我知晓各个寄存器的巧妙配合,如果是模拟组那我也能说一说其中的基本原理。

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可以说,这样的改革,是真正的在培养人才,而不是培养毕业生了。
让学生们投身于工作岗位,去工业界研发产品,而不是为了应付作业和考试,最后拿文凭。
教育,要从娃娃抓起。芯片行业的教育,也是同样的道理。
只有这样,我们才不会被“卡脖子”,只有这样,中国芯片行业才能得到真正的发展。
当然,这一天的到来,还需要一段漫长的等待。
道阻且长,行则将至。
我相信,我们终会到达。