讓芯片人才破“殼”而出

    ■走在教育強(qiáng)國(guó)大路上·聚焦人才自主培養(yǎng) 

一粒砂石，必須經(jīng)過最嚴(yán)格加工，才能淬煉為一枚芯片。

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

一名學(xué)生，必須經(jīng)過最嚴(yán)格的訓(xùn)練，才能成長(zhǎng)為合格的芯片設(shè)計(jì)工程師。

課程，講授基本理論和方法；設(shè)計(jì)，集齊各種軟硬件供學(xué)生取用；工廠，拿出寶貴產(chǎn)能將設(shè)計(jì)方案變?yōu)檎嬲男酒?/p>

2019年8月，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)啟動(dòng)“一生一芯”計(jì)劃，依托以“科教融合”為特色的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域教育、科研及人才“三位一體”培養(yǎng)體系，鑿?fù)ń逃?、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈，培養(yǎng)面向未來自主可控的信息技術(shù)體系的領(lǐng)軍人才。4年來，完整執(zhí)行學(xué)習(xí)計(jì)劃的學(xué)生，從“小白”成長(zhǎng)為可以設(shè)計(jì)、制造芯片的人才，與變成芯片的砂石一起破“殼”而出。

    “帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)”

“華為在國(guó)內(nèi)找不到處理器芯片設(shè)計(jì)人才的情況，是意料之中的。”2019年，得知華為遭受制裁，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)包云崗如是感慨。

華為的困局與國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)、教育環(huán)境密切相關(guān)。“當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)開展處理器芯片設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)與研究的大學(xué)不多，學(xué)生學(xué)、用落差巨大。處理器芯片從設(shè)計(jì)到制造的產(chǎn)業(yè)鏈條漫長(zhǎng)，涉及軟硬件協(xié)調(diào)、多學(xué)科交叉，高校日常教學(xué)往往只涉及個(gè)別環(huán)節(jié)，很多學(xué)生直到畢業(yè)都以為做芯片就是寫代碼?！卑茘徴f。

一連串短板效應(yīng)的傳遞，最后就是中國(guó)優(yōu)秀處理器芯片人才儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。內(nèi)外嚴(yán)峻形勢(shì)下，面向未來科技和產(chǎn)業(yè)布局，必須大幅提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和效率。

秉承“科研為國(guó)分憂、創(chuàng)新與民造福”的理念，循著“設(shè)計(jì)一種新的教學(xué)體系，降低芯片設(shè)計(jì)門檻，讓學(xué)生能設(shè)計(jì)自己的芯片并成功流片”的思路，在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的大力支持下，由孫凝暉院士部署，包云崗團(tuán)隊(duì)牽頭設(shè)計(jì)并組織實(shí)施了“一生一芯”計(jì)劃。

“計(jì)劃的目標(biāo)非常明確，即突破傳統(tǒng)課程的邊界，構(gòu)建一套軟硬件協(xié)同、打通前后端全鏈條的處理器芯片教學(xué)流程，提高我國(guó)處理器芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)質(zhì)量，縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的周期，培養(yǎng)更多緊缺的芯片人才?！卑茘徴f。

“一生一芯”計(jì)劃于2019年8月啟動(dòng)。首批參與的學(xué)生，是5名本科生。包云崗明確告訴他們，這是一個(gè)嶄新的教學(xué)計(jì)劃，會(huì)耗費(fèi)參與者大量時(shí)間和精力，前路未知，“你們是否愿意當(dāng)小白鼠？”

5人無一拒絕。

事實(shí)證明，5名本科生和教學(xué)團(tuán)隊(duì)一起蹚出了一條路。在“引導(dǎo)學(xué)生找思路，而非幫學(xué)生解決Bug”的教學(xué)思路下，當(dāng)年12月，經(jīng)過4個(gè)月高強(qiáng)度的開發(fā)工作，學(xué)生的處理器芯片設(shè)計(jì)版圖正式提交廠家。次年4月，芯片成品返回，測(cè)試結(jié)果基本正常。通過技術(shù)答辯后，5名本科生實(shí)現(xiàn)了“帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)”的目標(biāo)。

“一生一芯”計(jì)劃，走得通！

迄今，“一生一芯”計(jì)劃已歷6期，規(guī)模逐步放大。為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模芯片人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，教師解壁偉提出“讓學(xué)生指導(dǎo)學(xué)生”，在學(xué)習(xí)的學(xué)生中遴選助教，指導(dǎo)新報(bào)名的學(xué)生學(xué)習(xí)。為了集聚更多有志于芯片設(shè)計(jì)的各高校學(xué)生，在助教團(tuán)隊(duì)的支撐下，通過舉辦暑期班、送課上門等方式，“一生一芯”計(jì)劃已在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上向全國(guó)輻射，覆蓋高校從1所擴(kuò)大到300余所，報(bào)名人數(shù)從首期的5人到第6期的2000余人，6期累計(jì)報(bào)名已超6000人。不僅高校，華為、長(zhǎng)城汽車等企業(yè)也送相關(guān)技術(shù)人員參與課程學(xué)習(xí)，“一生一芯”計(jì)劃逐漸成為全國(guó)芯片設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的大平臺(tái)。

    成功秘訣是“開源、共享”

“一生一芯”計(jì)劃何以取得初步成功？

“開源、共享。”沒有遲疑，包云崗給出答案。

包云崗多次提到計(jì)劃“覆蓋高校從1所擴(kuò)大到300余所”這一事實(shí)，“從一開始，我們團(tuán)隊(duì)就希望能將這門課程向全國(guó)高校的學(xué)生開放”。

團(tuán)隊(duì)的愿景，基于國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)教學(xué)的困境。

放眼全國(guó)高校，依據(jù)傳統(tǒng)教材進(jìn)行條塊分割、遠(yuǎn)離產(chǎn)業(yè)的教學(xué)，依然是常態(tài)。希望快速地大規(guī)模進(jìn)行教學(xué)迭代，并非易事，多數(shù)高校也并不具備打通課堂、產(chǎn)業(yè)鏈條的能力。比如，學(xué)生設(shè)計(jì)的芯片拿去流片，必須借助芯片制造廠商的力量。背靠中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)教師只花了幾天就談好合作，但這對(duì)一些專業(yè)背景相對(duì)缺乏的地方院校來說，卻很難做到。

在工廠產(chǎn)線流片，資金也是問題?！拔覀儗W(xué)校有配套政策提供資金，鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)開展創(chuàng)新嘗試。”中國(guó)科學(xué)院大學(xué)黨委常務(wù)副書記、副校長(zhǎng)王艷芬說。在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和其他支撐單位的支持下，團(tuán)隊(duì)順利開展流片工作。再加上一些企業(yè)提供的經(jīng)費(fèi)支持，團(tuán)隊(duì)順利和相關(guān)廠商達(dá)成意向。

“我們有這么好的條件，是不是應(yīng)該站出來做一些事情？”團(tuán)隊(duì)成員心中充滿執(zhí)念。

因?yàn)椤伴_源、共享”，教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈的能量得以匯聚；也因?yàn)椤伴_源、共享”，“一生一芯”成為面向全國(guó)學(xué)生無償開放的教學(xué)計(jì)劃。

“經(jīng)過主講老師余子濠的努力，我們積累了26萬字的講義、超過40小時(shí)的教學(xué)視頻，不限高校、專業(yè)和年級(jí)，提供給所有感興趣的學(xué)生。”包云崗說。

余子濠時(shí)常到各地高校宣講“一生一芯”計(jì)劃。令他欣慰的是看到很多非“雙一流”建設(shè)高校學(xué)生眼中的光芒，“他們平時(shí)不容易接觸到這些學(xué)習(xí)資源，但對(duì)計(jì)算機(jī)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(tái)”。

在2023年8月結(jié)束的第七屆全國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽（龍芯杯）上，來自地方院校的“一生一芯”計(jì)劃學(xué)員王晨宇斬獲個(gè)人賽總決賽一等獎(jiǎng)?！啊簧恍尽瘜?duì)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(zhǎng)?！蓖醭坑钫f。

助教對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)也是一種“共享”。“能把自己所學(xué)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)分享給其他同學(xué)，引導(dǎo)他們?cè)谧约核伎嫉幕A(chǔ)上不斷深入探索并提出新想法，是一件非常有成就感的事情?！奔仁堑?期學(xué)員也是第6期助教的繆宇飏說。

“一生一芯”作為一個(gè)實(shí)踐型的人才培養(yǎng)計(jì)劃，技術(shù)支撐是學(xué)生開展學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。第3期學(xué)員陳璐在學(xué)習(xí)過程中為項(xiàng)目移植了若干系統(tǒng)軟件，“看到現(xiàn)在的同學(xué)還在使用我兩年前移植的代碼，心里充滿了成就感?！彼f。

隨著越來越多來自全國(guó)各高校的學(xué)生參與到“一生一芯”計(jì)劃中，團(tuán)隊(duì)也收到了更多來自學(xué)生提交的代碼補(bǔ)丁和其他反饋。學(xué)生在“一生一芯”計(jì)劃中獲得成長(zhǎng)，然后反哺“一生一芯”計(jì)劃，這也充分體現(xiàn)“一生一芯”計(jì)劃“開源、共享”的屬性。

在包云崗看來，“一生一芯”計(jì)劃在一定程度上打破了計(jì)算機(jī)專業(yè)教育資源不平衡的壁壘?！爸袊?guó)有上千所普通地方院校，其實(shí)每所高校都有一些很有潛力的芯片人才?！卑茘徴f，“如果能全部發(fā)揮他們的天賦，對(duì)中國(guó)處理器芯片的人才儲(chǔ)備來說，意義重大?！?/p>

    “學(xué)生表現(xiàn)出的戰(zhàn)斗力是驚人的”

“一生一芯”計(jì)劃瞄準(zhǔn)的處理器芯片，其設(shè)計(jì)基于開源指令集。

這是包云崗團(tuán)隊(duì)的有意選擇。他們希望，這是一步具有戰(zhàn)略意義的“先手棋”。

指令集是計(jì)算機(jī)軟硬件生態(tài)運(yùn)行的邏輯基礎(chǔ)。兩家國(guó)際計(jì)算機(jī)巨頭公司的指令集手冊(cè)分別有5000頁和2700頁之巨。龐大繁雜的手冊(cè)，是數(shù)以萬計(jì)的工程師數(shù)十年的智慧結(jié)晶，是當(dāng)代社會(huì)生產(chǎn)生活運(yùn)行的基石。

然而，是基石，也是圍墻。

“你能想象，全世界所有的螺釘螺母，需要一家公司來授權(quán)生產(chǎn)規(guī)格嗎？”包云崗說，“這么荒謬的事，卻發(fā)生在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?！?/p>

巨頭是指令集的創(chuàng)造者，也是壟斷者。包括處理器芯片在內(nèi)，外界基于指令集研發(fā)軟硬件，必須支付高昂的專利費(fèi)用?！伴_源、共享”被視為計(jì)算機(jī)時(shí)代的圭臬，它卻建立在封閉之上。

和包云崗一樣，近年來，國(guó)際上學(xué)界、業(yè)界無法忍受現(xiàn)狀的聲音越來越多。一種新的開源指令集RISC-V應(yīng)運(yùn)而生，這相當(dāng)于由各方協(xié)商制定出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，然后各企業(yè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品。

這或?qū)⒊蔀橄乱淮幚砥餍酒难邪l(fā)方向。各主要國(guó)家均已開展相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)布局。

從這個(gè)角度說，“一生一芯”計(jì)劃培養(yǎng)的學(xué)生，將在未來的變革浪潮中大顯身手。

包云崗對(duì)此很有信心?！耙簧恍尽庇?jì)劃首批5名本科生，全部加入中國(guó)自主研發(fā)的開源高性能RISC-V處理器“香山”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并成為技術(shù)骨干。

后續(xù)幾期成功流片的學(xué)生，其深造和就業(yè)去向也令人鼓舞。“學(xué)生表現(xiàn)出來的戰(zhàn)斗力是驚人的。等到他們30歲時(shí)，就可以說已經(jīng)是處理器芯片和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的‘老兵’了?！卑茘徴f。

時(shí)間回到2019年8月?！耙簧恍尽庇?jì)劃啟動(dòng)的那天，正是北京悶熱的夏日。大家齊聚包云崗的辦公室，有人穿著短褲，有人趿著拖鞋。在十分不嚴(yán)肅的氛圍中，他們開始了一項(xiàng)嚴(yán)肅的探索。

此后的時(shí)光里，6期計(jì)劃陸續(xù)執(zhí)行。4年來，共計(jì)600余名學(xué)生通過“一生一芯”計(jì)劃不同階段的能力考核學(xué)習(xí)完全部課程，100余名學(xué)生成功流片。其間，他們經(jīng)歷了自我懷疑與否定，在黑夜里苦苦探索問題的解決方案。在山重水復(fù)疑無路的痛苦中，他們于不知不覺間，輕舟已過萬重山。

包云崗手機(jī)里珍藏著一段視頻，那是學(xué)生拿到自己設(shè)計(jì)的芯片后進(jìn)行測(cè)試的畫面。每名學(xué)生都記錄下芯片“點(diǎn)亮”的瞬間，顯示器上，出現(xiàn)最多的畫面是“一生一芯”的標(biāo)志，和顯眼的“謝謝”。

《中國(guó)教育報(bào)》2024年04月10日第1版