“造芯”毕业

张盖伦

芯片设计类似于画一张大楼的施工图纸。只不过，呈现这张图纸，用的不是线条，而是一种叫作Chisel的硬件语言。

5位本科生，主导完成了一款64位RISC-V处理器SoC芯片设计并实现流片。这款芯片，被称作他们的 “最硬核毕业证书”。

芯片是今年5月底快递到王华强家的。

它大概一元硬币大小，上面刻着 “COOSCA-01”和“一生一芯”的字样，还有国科大的Logo。

COOSCA是一个内部代号，是国科大计算机科学与技术学院的3门课程——计算机组成原理、操作系统和计算机架构的缩写。“一生一芯”则是计划的名字，意思是让每位本科生带着自己设计的处理器芯片毕业。

受新冠肺炎疫情影响，今年国科大的本科毕业答辩在线上进行。王华强代表“一生一芯”团队，向答辩委员会的老师远程展示了芯片。他把芯片装上测试板，用串口线将测试板与电脑连接，打开电脑上的终端软件，按下测试板上的复位键，运行了几个简单的程序——Linux系统跑起来了。

然而，去年夏天，“一生一芯”计划参与者张紫飞第一次听到该计划时的第一反应却是“天方夜谭吧”。让几个本科生用几个月时间，设计出一枚能够运行Linux这样复杂操作系统的芯片，可能吗？

“一生一芯”计划负责人、国科大计算机学院教授、中国科学院计算所先进计算机系统研究中心主任包云岗则觉得，在开源时代，将芯片设计的门槛降下来，是可能的。

中国的处理器芯片设计界，缺人。2019年5月，华为被美国商务部列入实体名单，人才危局必须尽快找到出路。包云岗迅速将他模糊的想法细化：让学生学习并实践芯片敏捷设计方法，参与芯片设计实现，通过大学流片计划完成芯片制造。

如果学生能带着他们自己设计的芯片实物毕业，这会是最特别的毕业纪念。

2019年8月，“一生一芯”计划正式启动。包云岗将之称为一次教学实践。国科大校领导认为，它会掀起本科教学改革的新篇章。

5位参与的学生是金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞，他们都是国科大计算机科学与技术学院2016级本科生，那时也都已通过了中国科学院计算技术研究所的保研夏令营，成为首批吃螃蟹的人。

在王华强看来，如果能用自己做的芯片运行自己写的操作系统，“很浪漫”。

其实，在学生们面前的，是一条没有人走过的路。

难度究竟如何，耗时需要多久，可能会有什么坑……通通都是未知数。没有导航，他们需要自己打怪升级，自己试错尝试。

当然，他们也并非是在白纸上作画。

教师团队已经制定了总体方案，确定了技术路线，选择好了基础平台，搭建了开发环境，也选定了流片工艺和班车。5位学生真正动手之前，一支实力强大的教师团队，为学生的乘风破浪，做好了保驾护航的准备。

做芯片，其实分为前端和后端。前端主要是做設计，用数字电路的方式实现处理器的功能;后端则是用物理元件来实现这些设计。

“要说芯片都是我们做的，并不准确。其实我们只是做了前端的逻辑设计部分。”王凯帆强调。

他尝试用最通俗的语言向记者解释设计芯片是怎么一回事——类似于画一张大楼的施工图纸。只不过，呈现这张图纸，用的不是线条，而是一种叫作Chisel的硬件语言。

此前，包云岗团队中的博士生余子濠为南京大学开发了一款教学用RISC-V处理器，“一生一芯”计划的学生要在此基础上进行改进，把师兄搭建的房子，改建得更舒服、更亮堂。

对新手施工设计团队来说，他们盖的第一栋房子，要保证的是屹立不倒。“要是哪面墙放错了地方，或者墙体本身设计的承重强度不够，整栋楼也就塌了。”王凯帆说。

从2019年8月正式动手设计，到12月中旬交付设计图纸，5人组踩过坑，给别人挖过坑，也挣扎着从坑里爬出来过;他们曾熬夜和不知躲在哪里的错误死磕，还要对抗可能拖延队友进度的焦虑。

学生们在总结时写道，课程作业就像直接给人采摘的果园，“一生一芯”计划却是给一片荒地和几棵树苗，从开垦种植到施肥都要自己动手，并且还不知道这样能不能结出果实。“不知为何，从0开始种出的果实好像要更甜一些。”他们说。

2019年12月，这款芯片的设计版图正式提交，基于中芯国际110nm工艺完成投片。

对5位学生来说，他们的工作也暂时告一段落。接下来的重心，是完成以芯片为基础的毕业设计。

正式流片之前，团队已经在模拟机上反复测试过多次。但仍然没人能打包票，芯片就一定能实现预期的功能。

无可否认的是，压力更大。

此前的芯片设计，更像是“纸上谈兵”，成功了固然好，失败了好像也无所谓。但是这次，投入真金白银去流片，能不能用，几个月的努力会不会打水漂，流片后就能见分晓。

2020年4月23日，学生们从微信群里得知，他们亲手设计的处理器芯片返回了。

但这并不是终点，还需要进行测试验证。

这段测试经历，同样也是一波三折，甚至有点戏剧性。

芯片回来后，团队里的老师们上手测试了几颗，结果芯片真的就是块“砖”，没有任何输出。一阵忙乱后他们才发现，原来是主板上的一根电源线接错了，芯片“出师未捷身先死”，被烧坏了。

后来，又因为一个串口时钟频率设置问题，芯片性能始终不正常。折腾了一段时间，芯片才被调整到最佳状态。

6月2日，在毕业答辩现场，王华强展示了芯片的工作流程。后来，王凯帆还将国科大操作系统课程上同学们自己编写的UCAS-Core移植到了COOSCA核上，完成了用自己写的CPU运行自己写的操作系统这件“浪漫”的事。

国科大的学生将自己的母校简称为“果壳”，所以，果壳（nutshell）也就成了“一生一芯”计划首款芯片的正式名字。9月3日，王华强将代表团队向全球同行介绍“果壳”的设计，这也将是“果壳”首次在国际舞台上亮相。

“国科大学生硬核毕业证书”一度成为网上的热议话题。

他们的平均年龄，只有21.8岁。包云岗说，等他们30岁时，就可以说已经是处理器芯片和计算机系统设计领域的“老兵”了。无论他们是进入业界还是学界，创造力会得到更大的发挥和展现。“我对这批年轻人的未来充满期待。”

◎ 来源|科技日报