讓芯片人才破“殼”而出

一粒砂石，必須經過最嚴格加工，才能淬鍊爲一枚芯片。

提純，砂子在1200攝氏度的高溫裡進行眼花繚亂的化學反應；切割，閃現寒光的金剛石鋸將單晶硅棒切爲0.5毫米的薄片；光刻，光源以每秒數萬次的頻率在納米尺度上搭建晶體管組成的宏大“城市”。

▲“一生一芯”計劃負責人、中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長包雲崗在介紹學生設計的芯片。學校供圖

一名學生，必須經過最嚴格的訓練，才能成長爲合格的芯片設計工程師。

課程，講授基本理論和方法；設計，集齊各種軟硬件供學生取用；工廠，拿出寶貴產能將設計方案變爲真正的芯片。

2019年8月，中國科學院大學啓動“一生一芯”計劃，依託以“科教融合”爲特色的計算機系統領域教育、科研及人才“三位一體”培養體系，鑿通教育鏈、產業鏈、資金鍊，培養面向未來自主可控的信息技術體系的領軍人才。4年來，完整執行學習計劃的學生，從“小白”成長爲可以設計、製造芯片的人才，與變成芯片的砂石一起破“殼”而出。

“帶着自己設計的芯片畢業”

“華爲在國內找不到處理器芯片設計人才的情況，是意料之中的。”2019年，得知華爲遭受制裁，中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長、中國科學院計算技術研究所副所長包雲崗如是感慨。

華爲的困局與國內芯片產業、教育環境密切相關。“當時，國內開展處理器芯片設計相關教學與研究的大學不多，學生學、用落差巨大。處理器芯片從設計到製造的產業鏈條漫長，涉及軟硬件協調、多學科交叉，高校日常教學往往只涉及個別環節，很多學生直到畢業都以爲做芯片就是寫代碼。”包雲崗說。

一連串短板效應的傳遞，最後就是中國優秀處理器芯片人才儲備嚴重不足。內外嚴峻形勢下，面向未來科技和產業佈局，必須大幅提高人才培養質量和效率。

秉承“科研爲國分憂、創新與民造福”的理念，循着“設計一種新的教學體系，降低芯片設計門檻，讓學生能設計自己的芯片併成功流片”的思路，在中國科學院大學和中國科學院計算技術研究所的大力支持下，由孫凝暉院士部署，包雲崗團隊牽頭設計並組織實施了“一生一芯”計劃。

“計劃的目標非常明確，即突破傳統課程的邊界，構建一套軟硬件協同、打通前後端全鏈條的處理器芯片教學流程，提高我國處理器芯片設計人才培養質量，縮短人才從培養階段到投入科研與產業一線的週期，培養更多緊缺的芯片人才。”包雲崗說。

“一生一芯”計劃於2019年8月啓動。首批參與的學生，是5名本科生。包雲崗明確告訴他們，這是一個嶄新的教學計劃，會耗費參與者大量時間和精力，前路未知，“你們是否願意當小白鼠？”

5人無一拒絕。

事實證明，5名本科生和教學團隊一起蹚出了一條路。在“引導學生找思路，而非幫學生解決Bug”的教學思路下，當年12月，經過4個月高強度的開發工作，學生的處理器芯片設計版圖正式提交廠家。次年4月，芯片成品返回，測試結果基本正常。通過技術答辯後，5名本科生實現了“帶着自己設計的處理器芯片畢業”的目標。

“一生一芯”計劃，走得通！

迄今，“一生一芯”計劃已歷6期，規模逐步放大。爲了應對大規模芯片人才培養的挑戰，教師解壁偉提出“讓學生指導學生”，在學習的學生中遴選助教，指導新報名的學生學習。爲了集聚更多有志於芯片設計的各高校學生，在助教團隊的支撐下，通過舉辦暑期班、送課上門等方式，“一生一芯”計劃已在中國科學院大學實踐經驗的基礎上向全國輻射，覆蓋高校從1所擴大到300餘所，報名人數從首期的5人到第6期的2000餘人，6期累計報名已超6000人。不僅高校，華爲、長城汽車等企業也送相關技術人員參與課程學習，“一生一芯”計劃逐漸成爲全國芯片設計人才培養的大平臺。

成功秘訣是“開源、共享”

“一生一芯”計劃何以取得初步成功？

“開源、共享。”沒有遲疑，包雲崗給出答案。

包雲崗多次提到計劃“覆蓋高校從1所擴大到300餘所”這一事實，“從一開始，我們團隊就希望能將這門課程向全國高校的學生開放”。

團隊的願景，基於國內相關專業教學的困境。

放眼全國高校，依據傳統教材進行條塊分割、遠離產業的教學，依然是常態。希望快速地大規模進行教學迭代，並非易事，多數高校也並不具備打通課堂、產業鏈條的能力。比如，學生設計的芯片拿去流片，必須藉助芯片製造廠商的力量。背靠中國科學院大學和中國科學院計算技術研究所的平臺，團隊教師只花了幾天就談好合作，但這對一些專業背景相對缺乏的地方院校來說，卻很難做到。

在工廠產線流片，資金也是問題。“我們學校有配套政策提供資金，鼓勵教師團隊開展創新嘗試。”中國科學院大學黨委常務副書記、副校長王豔芬說。在中國科學院大學和其他支撐單位的支持下，團隊順利開展流片工作。再加上一些企業提供的經費支持，團隊順利和相關廠商達成意向。

“我們有這麼好的條件，是不是應該站出來做一些事情？”團隊成員心中充滿執念。

因爲“開源、共享”，教育鏈、產業鏈、資金鍊的能量得以匯聚；也因爲“開源、共享”，“一生一芯”成爲面向全國學生無償開放的教學計劃。

“經過主講老師餘子濠的努力，我們積累了26萬字的講義、超過40小時的教學視頻，不限高校、專業和年級，提供給所有感興趣的學生。”包雲崗說。

餘子濠時常到各地高校宣講“一生一芯”計劃。令他欣慰的是看到很多非“雙一流”建設高校學生眼中的光芒，“他們平時不容易接觸到這些學習資源，但對計算機和芯片充滿熱愛。我們提供的課程，讓他們有了施展才華的平臺”。

在2023年8月結束的第七屆全國大學生計算機系統能力培養大賽（龍芯杯）上，來自地方院校的“一生一芯”計劃學員王晨宇斬獲個人賽總決賽一等獎。“‘一生一芯’對我的影響是全方位的，它讓我接觸到之前難以想象的資源，助我全方位成長。”王晨宇說。

助教對學生的指導也是一種“共享”。“能把自己所學的知識經驗分享給其他同學，引導他們在自己思考的基礎上不斷深入探索並提出新想法，是一件非常有成就感的事情。”既是第6期學員也是第6期助教的繆宇颺說。

“一生一芯”作爲一個實踐型的人才培養計劃，技術支撐是學生開展學習的關鍵。第3期學員陳璐在學習過程中爲項目移植了若干系統軟件，“看到現在的同學還在使用我兩年前移植的代碼，心裡充滿了成就感。”她說。

隨着越來越多來自全國各高校的學生參與到“一生一芯”計劃中，團隊也收到了更多來自學生提交的代碼補丁和其他反饋。學生在“一生一芯”計劃中獲得成長，然後反哺“一生一芯”計劃，這也充分體現“一生一芯”計劃“開源、共享”的屬性。

在包雲崗看來，“一生一芯”計劃在一定程度上打破了計算機專業教育資源不平衡的壁壘。“中國有上千所普通地方院校，其實每所高校都有一些很有潛力的芯片人才。”包雲崗說，“如果能全部發揮他們的天賦，對中國處理器芯片的人才儲備來說，意義重大。”

“學生表現出的戰鬥力是驚人的”

“一生一芯”計劃瞄準的處理器芯片，其設計基於開源指令集。

這是包雲崗團隊的有意選擇。他們希望，這是一步具有戰略意義的“先手棋”。

指令集是計算機軟硬件生態運行的邏輯基礎。兩家國際計算機巨頭公司的指令集手冊分別有5000頁和2700頁之巨。龐大繁雜的手冊，是數以萬計的工程師數十年的智慧結晶，是當代社會生產生活運行的基石。

然而，是基石，也是圍牆。

“你能想象，全世界所有的螺釘螺母，需要一家公司來授權生產規格嗎？”包雲崗說，“這麼荒謬的事，卻發生在計算機領域。”

巨頭是指令集的創造者，也是壟斷者。包括處理器芯片在內，外界基於指令集研發軟硬件，必須支付高昂的專利費用。“開源、共享”被視爲計算機時代的圭臬，它卻建立在封閉之上。

和包雲崗一樣，近年來，國際上學界、業界無法忍受現狀的聲音越來越多。一種新的開源指令集RISC-V應運而生，這相當於由各方協商制定出行業標準，然後各企業依據標準生產產品。

這或將成爲下一代處理器芯片的研發方向。各主要國家均已開展相關研究和產業佈局。

從這個角度說，“一生一芯”計劃培養的學生，將在未來的變革浪潮中大顯身手。

包雲崗對此很有信心。“一生一芯”計劃首批5名本科生，全部加入中國自主研發的開源高性能RISC-V處理器“香山”的研發團隊，併成爲技術骨幹。

後續幾期成功流片的學生，其深造和就業去向也令人鼓舞。“學生表現出來的戰鬥力是驚人的。等到他們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。”包雲崗說。

時間回到2019年8月。“一生一芯”計劃啓動的那天，正是北京悶熱的夏日。大家齊聚包雲崗的辦公室，有人穿着短褲，有人趿着拖鞋。在十分不嚴肅的氛圍中，他們開始了一項嚴肅的探索。

此後的時光裡，6期計劃陸續執行。4年來，共計600餘名學生通過“一生一芯”計劃不同階段的能力考覈學習完全部課程，100餘名學生成功流片。其間，他們經歷了自我懷疑與否定，在黑夜裡苦苦探索問題的解決方案。在山重水複疑無路的痛苦中，他們於不知不覺間，輕舟已過萬重山。

包雲崗手機裡珍藏着一段視頻，那是學生拿到自己設計的芯片後進行測試的畫面。每名學生都記錄下芯片“點亮”的瞬間，顯示器上，出現最多的畫面是“一生一芯”的標誌，和顯眼的“謝謝”。

來源：中國教育報

責任編輯：宋同舟