僅僅4個月!五位本科生“造芯”畢業
2020-08-24 10:28:55   來源:科技日報
內容摘要
“一生一芯”計劃負責人包云崗展示芯片受訪者供圖芯片設計類似于畫一張大樓的施工圖紙。只不過,呈現這張圖紙,用的不是線條,而是一種叫做Chisel的硬件語言?!叭绾卧u價中國科學院大學(以下簡稱國科大)‘一生一芯’計劃?”在某問答網站上,這個問題獲得了超千萬的關注熱度。五位本科生,主導完成了一款64位RI…

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“一生一芯”計劃負責人包云崗展示芯片受訪者供圖

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

“如何評價中國科學院大學(以下簡稱國科大)‘一生一芯’計劃?”在某問答網站上,這個問題獲得了超千萬的關注熱度。

五位本科生,主導完成了一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計并實現流片。這款芯片,被稱作他們的 “最硬核畢業證書”。

和芯片有關的新聞,總能牽動國人的心。而當主角成為幾個“帶芯畢業”二十出頭的年輕人,就更加引人好奇。網上的聲音多種多樣,有人鼓掌,有人唱衰,有人將它和中國芯片產業聯系起來,寫了洋洋灑灑長篇分析。

如今,五位學生已經開始了新的工作。他們正在深圳,參與新的更高性能芯片的設計。

8月中旬,他們還多了個新身份——第二期“一生一芯”計劃的助教。

“一生一芯”:本科生做芯片不是天方夜譚

芯片是今年五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三門課程——計算機組成原理、操作系統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。

受新冠肺炎疫情影響,今年國科大的本科畢業答辯在線上進行。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。

包云崗對2008年至2017年計算機體系結構國際頂級會議論文第一作者做過分析,只有4%來自中國的高校和科研院所。中國的處理器芯片設計界,缺人。

開放指令集RISC-V與芯片敏捷開發語言Chisel,能使開發效率數量級提升。RISC-V,正是包云崗近幾年的研究重心。這一指令集可以自由地用于任何目的,允許任何人設計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。

2018年時,包云崗就隱約意識到,RISC-V對人才培養會有幫助。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,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,這會是最特別的畢業紀念。

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。

五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,“很浪漫”。

計算機體系結構是一個古老但依然生機勃勃的領域?!拔覀儸F在用的很多東西都是很多年前的成果。隨著科技的發展和國內外形勢的變化,我個人認為,在體系結構上應該還有廣闊的探索空間?!蓖跞A強喜歡動手實操。就算做出來的只是個玩具,自己親手打磨的東西,還是不一樣。

在熱鬧的計算機行業中,這些偏好體系結構的學生,想找到那些更堅固的東西,抓住,并且堅持下去。

踩坑、挖坑,再從坑里爬出來

其實,在學生們面前的,是一條未有人走過的路。

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。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,搭建了開發環境,也選定了流片工藝和班車。五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,用數字電路的方式實現處理器的功能;后端則是用物理元件來實現這些設計。

“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科技日報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,呈現這張圖紙,用的不是線條,而是一種叫做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。

包云崗說,在實際產品研發和科研工作中,也往往不是從頭開始,更多是在已有基礎上,增加新功能,提高性能?!斑@培養的是學生‘理解—消化—創新’的能力?!?/p>

大家采用了當下流行的“敏捷開發”模式:每人負責一個或幾個模塊,齊頭并進,多線推進,然后合龍。

“一生一芯”計劃的目標很明確:在芯片上運行Linux系統,支持基本的輸入輸出設備。

先解決“能不能”“對不對”的問題,再來看“快不快”“好不好”。

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?!蓖鮿P帆說。

從2019年8月正式動手設計,到12月中旬交付設計圖紙,五人組踩過坑,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。

團隊成員金越負責的是片上系統。除了中央處理器,在系統內還有五個控制器來實現具體功能?!熬拖翊竽X需要控制四肢讓人體運動一樣?!苯鹪秸f。

這些控制器的代碼是由開源社區提供的,但團隊并不清楚這些控制器是否適合他們設計的這款芯片。金越需要編寫驅動軟件,測試外設控制器是否設置正確,能否正常工作。

“要是出現問題就很麻煩了。到底是我的軟件寫錯了,還是外設控制器本身有問題?如果是外設控制器有問題,到底是哪個有問題?”變量太多,排列組合下來,測試復雜得讓人頭疼。

“做驗證的那幾天,幾乎沒怎么睡過覺?!苯鹪桨胍箤χ娔X,查手冊,查代碼,查波形,懷著點“我就不信邪”的不忿:“我一定要把這個東西弄出來?!?/p>

導師團隊可以為迷茫的學生指出大概的方向,但這個方向上會碰到什么,要上山還是要過河,還是得靠學生自己嘗試。

尋找問題究竟出在哪,是幾乎每個計劃參與者都會提到的“痛苦”經歷。王華強說,這就是一個“按下葫蘆起了瓢”的過程。

作為團隊唯一的女將,張林雋負責的部分是預取器。你進入了一間圖書館,想找到一本書??磕阕罱臅?能放的書最少;而更深處的書架,放的書更多,但你走過去的耗時也長。預取器好比那位了解你喜好的圖書管理員,他提前將他認為你會拿的書放在離你最近的書架,節省你的查找時間。

“在實現這個功能的時候,我想當然地認為,預取器應該放在L1 Cache也就是一級緩存內?!币患壘彺?相當于那個離你更近的但是容量更少的書架。但奇怪的是,加入預取器后,芯片的性能反而受到了影響,芯片的信息處理速度變慢了。

她花了一個月的時間來找問題,一個一個排查、修改和調試。后來,張林雋被提醒說,可能是預取器放置的位置不對?!鞍?很崩潰,之前寫的東西就沒用了,又要重來?!睂㈩A取器挪到二級緩存后,困擾她一個月的問題終于消失了。

在真正動手之前,沒人想過,問題竟然會在這等著他們。

學生們在總結時寫道,課程作業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?從0開始種出的果實好像要更甜一些?!彼麄冋f。

“我們只是知道了從山底到半山腰的路怎么走”

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。

對五位學生來說,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,芯片就一定能實現預期的功能。

平時上課或者比賽,學生也需要從零開始完成一次芯片設計。但在課堂實踐中,并不需要測試得太完備,只要設計出的芯片能通過老師給的幾個測試點,就算成功。在“一生一芯”計劃中,沒有這些被預先設計好的“測試點”。你必須考慮全面,細心謹慎。

“即使測試了這么多次,你也不能說這個系統一定沒有bug(缺陷),總有一些邊邊角角沒有測試到的地方,總會有意想不到的問題?!睆堊巷w說。畢竟,在此前四個月的開發中,他們已經見識過各種稀奇古怪的情況。

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。

這是第一期“一生一芯”計劃,大家都希望能開個好頭。等待的日子,他們忐忑又興奮。

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。

“從底層PCB版圖、內存顆粒到中間處理器設計、再到上層操作系統、應用軟件,每個層次都可能出問題。哪怕一個小問題,都會造成芯片無法正常工作?!卑茘徴f。

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現,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。

6月2日,在畢業答辯現場,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這件“浪漫”的事。

其實,除了王華強外,其他四位同學是暑期到深圳參與新項目后,才看到自己設計的芯片的。張紫飛說:“第一次看到時就覺得,這芯片比我們想象得小啊,好像還有點簡陋?!贝蠹叶夹α?他又立刻補充,“但是母不嫌兒丑嘛”。

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證書”一度成為網上的熱議話題,但被當成“大神”膜拜的幾位學生,無意將這一項目做過多拔高。

“我們現在看英特爾芯片,就像剛上學時看‘一生一芯’芯片一樣。畢竟這些公司積累了幾十年的經驗,我們現在只學到了皮毛,完全沒法比?!睆埩蛛h說得坦誠。金越則打了個比方:“現在,我們只是知道了從山底到半山腰的路有多難走,還不知道從半山腰到山頂的路有多難走?!?/p>

也正是因為攀過山、爬過坡,學生們知道自己都是新兵,經驗和能力上都有欠缺,還需淬煉。

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設計領域的“老兵”了。無論他們是進入業界還是學界,創造力會得到更大的發揮和展現?!拔覍@批年輕人的未來充滿期待?!?/p>

“一生一芯”計劃瞄準的也正是未來。

國科大計算機科學與技術學院院長、中國科學院計算技術研究所所長孫凝暉指出,這個計劃想幫助更多高校形成從處理器芯片設計到流片并運行操作系統的實踐課程,提高我國處理器芯片設計人才培養規模,縮短人才從培養階段到投入科研與產業一線的周期。

據包云崗介紹,參與“一生一芯”計劃二期的學生增加到13位,除了國科大外,還有來自浙江大學、南京大學、西北工業大學、哈爾濱工業大學(深圳)和美國密歇根州立大學等五所高校的同學。(記者 張蓋倫)









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