近来，五位来自我国科学院大学的 2016 级本科生，带着自己规划的处理器芯片「果壳」正式结业，这一效果引发媒体热议，被网友称为「最硬核结业证」。作为「终身一芯」计划的担任人，中科院计算所研讨员包云岗也在交际途径上论述了本次探究与实践背面的故事。

　　据我国青年报音讯，近来，我国科学院大学（以下简称国科大）2016 级计算机学院金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞五位本科生，主导完结了一款 64 位 RISC-V 处理器 SoC 芯片规划并成功流片，完结在芯片上成功运转 Linux 操作体系以及学生自己编写的国科大教育操作体系 UCAS-Core。

　　这是国科大「终身一芯」计划的首期效果，也是五位本科生宝贵的结业纪念品，被网友称为「最硬核结业证」，在交际媒体途径上引发热议。

　　7 月 25 日，国科大在玉泉路校区礼堂陈述厅举办新闻发布会，具体介绍了这一效果。据了解，上述 64 位 RISC-V 处理器名为「果壳 (NutShell)」，依据中芯世界 110nm 工艺。现在，「果壳」团队的投稿已被 RISC-V 全球论坛接纳，团队将在 9 月 3 日向全球业界介绍「果壳」的规划。「果壳」规划代码也已正式开源。

　　国科大计算机科学与技能学院院长、中科院计算所所长孙凝晖院士表明：「处理器芯片被公以为芯片工业皇冠上的明珠，规划杂乱度高、难度大。我国处理器芯片规划人才严峻紧缺，怎么加快此类人才的培育规划与培育速度，是我国火烧眉毛的难题。」

　　2019 年 5 月，美国政府以「科技网络安全」为由，将华为及其 70 个分支机构列入「实体清单」，制止华为在未经美国政府同意的状况下从美国企业获得元器件和相关技能。五个月后，美国商务部工业安大局（BIS）又将 28 家我国实体参加「实体清单」，包含海康威视、大华股份、科大讯飞、旷视科技、商汤科技、美亚柏科等多家科技企业。

　　在步步紧逼的态势下，咱们有必要供认，我国需求中长期的先进技能，更需求的是处理器芯片规划人才。

　　针对处理器规划人才危机，国科大于 2019 年 8 月发动了「终身一芯」计划，方针是经过让本科生规划处理器芯片并完结流片，培育具有厚实理论与实践阅历的处理器芯片规划人才。

　　上一年，国科大在本科重生选取奉告书中嵌入了「龙芯三号」芯片，被网友称为「硬核选取奉告书」，让人浮光掠影。这一次，硬核结业证「果壳」诞生的背面，又有着怎样的探究与应战？

　　我国科学院计算技能研讨所研讨员包云岗也是「终身一芯」计划的担任人，他在知乎上具体介绍了该计划的发动与施行进程。

　　2018 年 11 月 8 日，乌镇，世界互联网大会，经过 9 个月筹备作业，我国开发指令生态（RISC-V）联盟正式树立。晚上在乌镇的一家饭馆庆祝时，坐在我边上的一位教师问了个问题：「今后计划怎么做开源芯片生态？」其实这也是在 2018 年期间我常常问自己的一个问题，我有一个很粗的主意——能不能让学生参加到开源芯片生态建设中——常常会显现出来。听了那位教师的问题，我在脑海中又显现出这个主意，然后就在饭桌上一边收拾思路一边介绍怎么将教育和开源芯片结合起来。这应该是「终身一芯」计划的开端萌发。

　　那时还没想到「终身一芯」这个姓名，但现已大致构成了这样的方针——让本科生也能做处理器芯片，让本科生能带着自己规划的处理器芯片结业。但联盟树立后，这个主意并没有实质性推进。

　　2019 年 5 月 16 日华为被美国列入实体名单，全国震动。各界都在想能为华为做些什么，咱们也在考虑。可是，咱们是做开源芯片的，华为暂时还用不上；咱们选用的是敞开的 RISC-V 指令集，而华为的主力芯片都是依据 ARM。看起来咱们是无法帮忙华为处理当务之急了。但和华为专家沟通后，他们说短期内的需求华为自己根本能应对，他们更需求的是中长期的先进技能，而最需求的是处理器芯片规划人才。由于华为的芯片架构规划团队许多在美国硅谷，由于美国的出口控制，尽管是华为的全资子公司，但其技能也不能输入到华为总部。这导致华为在美国的芯片规划人才不能再发挥作用，但在国内又招不到这样的人才。这才是华为的心腹之患。

　　华为在国内找不到处理器芯片规划人才的状况是在预料之中。2017 年，我曾组织组里的学生计算过 2008~2017 十年的体系结构尖端会议 ISCA 论文榜首作者的状况，终究计算数据发现这些优异人才 85% 挑选在美国作业，仅有 4% 在我国作业，间隔巨大。这和国内许多大学不展开处理器芯片规划相关教育与研讨密切相关。

　　事实上，相似的人才危机美国也曾阅历过，1982 年全美上千所大学中只要不到 100 位教授和学生从事半导体相关的研讨 。为了应对人才危机，美国国防部高档研讨计划署 (DARPA) 在 1981 年发动 MOSIS 项目，为大学供给流片服务，经过 MPW 形式大幅下降芯片规划门槛。30 余年来 MOSIS 为大学和研讨机构流了 60000 多款芯片，培育了数万名学生。

　　由此可见，下降芯片规划门槛，让学生能规划自己的芯片并流片，可大幅进步人才培育功率。这和我此前的设想和方针彻底共同。咱们不能再耽误了，要加快人才培育计划。

　　我自作主张地给这个计划起了个姓名：「终身一芯」。初衷是期望有一天能让每一个学生都能带着自己规划的芯片结业，不论未来是不是真得能完结，这至少听起来是一个夸姣的抱负，而且还有一点绚丽——后来许多人听到这个姓名，榜首印象大多是「一辈子做一颗芯片」。还有女生有更浪漫地了解：「终身全神贯注爱一人」。不论怎么，看来咱们对这个姓名好像还都不恶感。

　　然后，我又联络了几位国科大本科生，问询他们愿不乐意参加这个「终身一芯」计划当小白鼠。出于预料地是，这些准 00 后（98/99 出世）都表明乐意应战一下，乐意当小白鼠。

　　6 月 20 日，我在开源芯片作业组群向咱们宣告：发动「终身一芯」计划！这并不是研制产等第芯片，而是一次教育实践。很快唐丹教师为未来的芯片起好了内部代号「COOSCA」，三门课 Computer Organization/Operating System/Computer Architecture 的缩写。

　　随后开端组成教育团队，跟着项目的进行教育团队也在不断扩大：唐丹教师和工程师刘彤担任 SoC 架构规划辅导，余子濠教师担任处理器核规划（其实子濠仍是博士生，但由于在国内计算机体系教育范畴很有名，所以咱们也半开玩笑地叫他教师），张科教师担任项目和谐、与国科大对接，并和常轶松教师、赵然教师一同在 FPGA 模仿仿真方面进行辅导，解壁伟教师和李峄工程师在后端物理规划上给予支撑，深圳大学蔡晔教师则参加帮忙规划 PCB 板卡，别的蒋德钧教师和王卅教师是国科大本科操作体系任课教师，在操作体系方面给予支撑，两位博士生王诲喆与徐易难也担任起助教的人物，帮忙答疑解惑。而我自己，则更像是一个啦啦队长，给咱们打鸡血。

　　教育团队开端行动起来了，咱们评论拟定总体计划，确认技能道路，挑选根底途径，树立开发环境，挑选流片工艺和班车…… 参加首期「终身一芯」计划的同学也终究确认，一共有五位，他们是金越、王华强、王凯帆、张林隽和张紫飞。这五位同学经过了计算所暑期夏令营面试，均被选取为计算所研讨生，其间金越导师是陈明宇研讨员，王华强导师是蒋德钧副研讨员，王凯帆导师是孙凝晖院士，张林隽和张紫飞的导师则是我。但接下来的时刻，他们将组成一个团队，一同应战带着自己规划的处理器芯片结业这个使命。

　　8 月 20 日，当唐丹教师宽和壁伟教师总算执行中芯世界 110nm 工艺的流片途径后，「终身一芯」计划全部准备就绪。

　　8 月 27 日，参加「终身一芯」计划的第一批五位同学和教育团队一同在我的办公室开了一次简略但含义严重的动员大会。「终身一芯」计划正式发动！

　　开弓没有回头箭。唐丹教师确认了最合适的流片班车是 12 月 17 日，间隔动员大会不到 4 个月！这样芯片能在 4 月份完结封装，回来进行测验。假如全部顺利，那就能够赶上五月底或六月初的国科大本科结业辩论，届时能够在辩论现场展示芯片。可是假如错失这趟班车，那就需求再等 2 个月赶下一趟班车，这就意味着芯片不行能在结业辩论时回来。「终身一芯」团队需求跟时刻赛跑。

　　一是用 Chisel 开发，此前咱们试验室做过 Chisel 与 Verilog 在开发功率和开发质量上的比照试验，证明 Chisel 能数倍替身开发速度，一同开发质量不比 Verilog 差，相关成果宣告在论文《芯片灵敏开发实践：标签化 RISC-V》。

　　二是以余子濠为南大开发的一款教育 RISC-V 处理器核为根底进行改善，这首要是由于余子濠在开发这款处理器的进程中构建了丰厚的东西，包含 NEMU 软件模仿器、指令差分测验结构等，这些都有助于加快开发。而教育处理器功用还很根底，要能运转 Linux 而且支撑流片，需求新增许多新功用，包含 RV64IM/RVC/RVA 等指令扩展、时钟中止、硬件填充的 TLB、M/S/U 特权级、缺页反常、Cache 预取、SDRAM 控制器、外围 I/O 设备…… 这是一种靠近实战的开发形式——实践的产品研制和科研作业中，往往不是总是从头开端，更多的是在已有的根底上，添加新的功用，进步功用等等。这就需求培育学生「了解 - 消化 - 立异」的才能。

　　接下来是 4 个月高强度的开发，可是有些要害模块的作业原理是讲堂上没有介绍过的，同学们还需求进行一些探究性的测验，有时乃至需求将此前的规划推倒重来，他们会因而感到焦虑或懊丧，这对他们的心态也是很大的检测。教育团队不仅仅需求给予技能辅导，还需求对学生的心态进行正确的引导，奉告他们不确认性是探究进程中的客观规律，然后引导他们去总结探究失利的阅历，去深刻地剖析当时计划不行行的原因，然后加深对问题的了解，让他们正确知道到探究失利的含义。

　　尽管使命极具应战，但不断有发展。每获得一个小里程碑，咱们都会记录下那个时刻，准确到分钟，由于觉得未来有一天或许用得上。后来，这些时刻真的用上了，便是宣扬视频中的那条时刻线。这个进程中，国科大各方给了很大的支撑，从校领导到本科部、计算机学院各级都很关怀和注重；在中科院计算所，所长孙凝晖院士、主管教育的陈熙霖副所长、教育处李琳教师等都给予全方位的保证与支撑。这也赋予了「终身一芯」团队某种使命感，更激发了咱们的斗志。

　　12 月 19 日，COOSCA 1.0 芯片地图冻住。当唐丹教师奉告地图现已正式提交，咱们就如高考交卷，总算舒了一口气，却又悬起了一颗心。

　　等候芯片回来是一种既期盼又忧虑的感觉。这种感觉又进一步被出人意料的疫情扩大了。当 1 月 23 日宣告武汉封城后疫情不断发展，咱们也越来越忧虑正在流片中的那颗 COOSCA 芯片还能不能准时回来，还能不能赶上结业辩论。出乎意外的是芯片根本依照预期时刻回来了，在这里咱们要对中芯世界和封测企业的职工们表达深深的敬意！

　　可是疫情仍是对测验作业产生了影响，由于学生不能返校，无法到在现场调试与测验。余子濠、蔡晔和刘彤三位挺身而出，帮忙调试测验作业。测验验证作业其实也是十分具有应战性，由于从底层 PCB 地图、内存颗粒到中心处理器规划、到上层操作体系、使用软件，每个层次都或许出问题。哪怕一个小问题，都会构成芯片无法正常作业。

　　经过大约 1 个月的调试测验，总算证明芯片全部正常，能够发动 Linux 操作体系。但也发现了芯片的 I/O 模块存在 bug，影响了 SD 卡的读写。测验验证也是充溢了戏剧性。一开端调试时比较保存，将芯片降到了 50MHz，没想到体系呈现了许多问题。后来把芯片频率从 50MHz 跳到了 200MHz，成果本来许多问题都消失了，能稳定地运转 Linux。又进一步把频率进步到了 350MHz，发动 Linux 呈现了问题，可是能够稳定地运转 RT-Thread。这个频率和后端仿真根本共同。这也验证了用 Chisel 开发和 Verilog 开发对后端物理规划并没有很大的影响。

　　2020 年 6 月 2 日，国科大本科生结业规划辩论日。五位同学别离介绍了他们依据 COOSCA 处理器核的进一步优化作业：

　　其间王凯帆的结业规划中使用了 COOSCA 核，也是他们自己规划的核初次在科研中得到使用。

　　王华强同学代表「终身一芯」团队展示了 COOSCA 芯片的功用。他进一步又将这个核改善为乱序多发射，在 FPGA 进步行了测验验证，成果显现比 COOSCA 核的 IPC 提升了一倍。他的结业规划也获得了国科大校级优异结业规划。

　　后来，王凯帆又将国科大操作体系课程上同学们自己编写的 UCAS-Core 移植到了 COOSCA 核上，完结了用自己写的 CPU 运转自己写的操作体系这个小方针。

　　CRVA 联盟将于 7 月 18 日举行 RISC-V 年中技能研讨会，「终身一芯」团队决议让王华强提交一份规划陈述，正式向社区介绍 COOSCA 核的规划。提交前，咱们觉得 COOSCA 是一个内部代号，现在要揭露露脸了，应该有个正式一点的姓名。同学们评论后，决议改名为「果壳（NutShell）」，和国科大的「国科」同音。能够看得出来，他们对国科大的确有些深沉的情感。

　　五位同学开端一同为「果壳」的初次露脸做了许多准备作业：王凯帆收拾了代码以及相应的文档，并在 Github 上开源，王华强收拾了一份介绍「果壳」规划的陈述 PPT。7 月 18 日，王华强在技能研讨会第二个进场，介绍了果壳的规划细节和一些开发进程中的阅历领会。这是陈述视频：

　　7 月 22 日，王华强又收到了「果壳」被 RISC-V Global Forum 被接纳的奉告。9 月 3 日，王华强同学将代表团队向全球业界介绍「果壳」的规划，这也是「果壳」初次在世界舞台上露脸。看了一下这次 RISC-V 全球论坛的日程，陈述均来自世界各地的业界资深专家，还包含图灵奖得主 David Patterson 教授。国科大本科生能登上 RISC-V 全球论坛介绍他们规划的处理器核，这在世界上也是十分难得了。作为教育团队成员，咱们心里也有一份骄傲。

　　咱们在调研中发现和「终身一芯」计划方针最接近的是 2017 年春季开端 UC Berkeley 开了一门新课 EE194/290C「28nm SoC for IoT」，方针是规划一个 SoC 芯片，集成各种 IP 模块，包含一个 Berkeley 开发的 RISC-V Rocket 处理器核。这门课以流片为方针，2017 年春由 9 位本科生与 1 位研讨生参加，经过 1 学期完结了流片，但未供给信息证明芯片能正常作业。

　　伯克利 EE194/290C 这门课是依据已有的 RISC-V 核和其他 IP 核进行 SoC 集成。而「终身一芯」与 EE194/290C 课程的差异在于要让本科生直接规划一款 64 位 RISC-V 处理器，然后在这个核的根底上，学生们需进一步集成与验证一系列外围 IP，终究构成一个能运转 Linux 操作体系的 SoC 芯片，这极具应战。

　　一年前，咱们不知道这个方针是不是可行，终究能不能成功。但现在，咱们探了回路，而且把路走通了，证明是可行的。这个探究的进程积累了不少阅历，也充溢了经历。五位同学作为小白鼠参加首期「终身一芯」计划，成长了许多。他们不仅在项目中把握了处理器芯片规划所需的专业常识，也训练出了优异人才所具有的超卓心理素质。一同来看看他们的感悟：

　　现在，这五位同学正在参加一个更有应战的项目，开发一款高功用乱序多发射 RISC-V 处理器核的规划。一年前，他们在做「果壳」时还有些费劲，现在已是这个新团队中的主干，和其他博士生和工程师们一同攻坚克难。去掉团队中蔡晔、唐丹和我这三位 40 岁以上的中年人，这支部队平均年龄只要 23.1 岁，但他们表现出来的战斗力却是惊人的——不到三个星期就从头开端完结了乱序处理器干流水线的规划与完结，而且经过 CoreMark 测验。比及他们 30 岁时，就能够说现已是处理器芯片和计算机体系规划范畴的「老兵」了。那时，他们将进入各自的作业岗位，或许去工业界研制产品，或许在学术界做科研。信任那时他们的创造力会得到更大的发挥和展示。我对这批年轻人的未来充溢等待。

　　从教育团队视点来看，除了前期在总体计划、环境途径等方面需做好充分准备以外，在开发进程中有四方面辅导特别重要（以下为余子濠教师总结）：

　　1. 项目规划和分工。学生在开发初期纷歧定能彻底把握芯片中各个模块之前的联络，此刻需求教师对学生的作业进行较为详尽的分工，让学生经过一些初期的使命来知道芯片的全貌。跟着项目的进行，学生对芯片的知道逐步明晰之后，教师进行的分工能够向大略的方向改变，向学生提出明晰的使命方针，并让学生测验提出自己的处理计划。

　　2. 引导学生了解项目中的每一处细节。芯片是一个杂乱的体系，学生需对芯片每一个模块的行为都有所了解，还需求了解程序在芯片上运转的每一处细节。可是学生一开端往往不能从课程规划的形式中改变过来，以为只需求了解自己使命相关的模块即可，不去自动了解其它模块，不去了解软件层次的行为。这导致他们在遇到问题会想不出处理的思路。此刻教师需求对学生进行引导，让他们自动去知道芯片乃至是软件行为的每一处细节。在遇到困难的时分，这些知道就会成为处理问题的头绪，顺着头绪去追溯问题的进程又会进一步加深学生对这些知道的了解，然后构成良性循环。

　　3. 辅导学生使用在讲堂学习的常识处理开发中遇到的实践问题。芯片开发进程中或许会遇到各种困难，一些表面上看像是硬件规划的问题，终究或许是软件装备过错构成的。处理这些困难需求学生站在大局的视角来剖析问题，并与讲堂上学习到的常识树立联络，从中寻觅处理问题的或许性。教师需求引导学生依据观测到的现象进行思想的发散，自动考虑或许与哪些学过的常识树立联络。假如学生面临一些比较困难的问题，也会需求教师进行指点。

　　4. 引导学生正确知道探究进程中的不确认性。在一款功用完好的芯片，有一些要害模块的原理是讲堂上没有具体介绍的，学生要正确地完结这些模块，需求一个探究的进程。这意味着学生不能像课程作业那样墨守成规地完结，而是会阅历规划计划的调整，乃至是整个计划的推倒重来。这简单导致学生感到焦虑或懊丧，因而教师需求对学生的心态进行正确的引导，奉告他们不确认性是探究进程中的客观规律，然后引导学生去总结探究失利的阅历，去深刻地剖析当时计划不行行的原因，然后加深对问题的了解，让学生正确知道到探究失利的含义。

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