最硬核畢業(yè)證：帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)，國(guó)科大16級(jí)本科生交付「一生一芯」首期成果

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來(lái)自：知乎，作者：包云崗

鏈接：https://www.zhihu.com/question/409298856/answer/1363569013

近日，五位來(lái)自中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的 2016 級(jí)本科生，帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片「果殼」正式畢業(yè)，這一成果引發(fā)媒體熱議，被網(wǎng)友稱為「最硬核畢業(yè)證」。 作為「一生一芯」計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，中科院計(jì)算所研究員包云崗也在社交平臺(tái)上闡述了本次探索與實(shí)踐背后的故事。

據(jù)中國(guó)青年報(bào)消息，近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱國(guó)科大）2016 級(jí)計(jì)算機(jī)學(xué)院金越、王華強(qiáng)、王凱帆、張林雋和張紫飛五位本科生，主導(dǎo)完成了一款 64 位 RISC-V 處理器 SoC 芯片設(shè)計(jì)并成功流片，實(shí)現(xiàn)在芯片上成功運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)以及學(xué)生自己編寫(xiě)的國(guó)科大教學(xué)操作系統(tǒng) UCAS-Core。

這是國(guó)科大「一生一芯」計(jì)劃的首期成果，也是五位本科生珍貴的畢業(yè)紀(jì)念品，被網(wǎng)友稱為「最硬核畢業(yè)證」，在社交媒體平臺(tái)上引發(fā)熱議。

7 月 25 日，國(guó)科大在玉泉路校區(qū)禮堂報(bào)告廳舉行新聞發(fā)布會(huì)，詳細(xì)介紹了這一成果。據(jù)了解，上述 64 位 RISC-V 處理器名為「果殼 (NutShell)」，基于中芯國(guó)際 110nm 工藝。目前，「果殼」團(tuán)隊(duì)的投稿已被 RISC-V 全球論壇接收，團(tuán)隊(duì)將在 9 月 3 日向全球業(yè)界介紹「果殼」的設(shè)計(jì)?！腹麣ぁ乖O(shè)計(jì)代碼也已正式開(kāi)源。

項(xiàng)目地址：https://github.com/OSCPU/NutShell

國(guó)科大計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)、中科院計(jì)算所所長(zhǎng)孫凝暉院士表示：「處理器芯片被公認(rèn)為芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高、難度大。我國(guó)處理器芯片設(shè)計(jì)人才嚴(yán)重緊缺，如何加快此類人才的培養(yǎng)規(guī)模與培養(yǎng)速度，是我國(guó)迫在眉睫的難題?！?/span>

2019 年 5 月，美國(guó)政府以「科技網(wǎng)絡(luò)安全」為由，將華為及其 70 個(gè)分支機(jī)構(gòu)列入「實(shí)體清單」，禁止華為在未經(jīng)美國(guó)政府批準(zhǔn)的情況下從美國(guó)企業(yè)獲得元器件和相關(guān)技術(shù)。五個(gè)月后，美國(guó)商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）又將 28 家中國(guó)實(shí)體加入「實(shí)體清單」，包括?？低?、大華股份、科大訊飛、曠視科技、商湯科技、美亞柏科等多家科技企業(yè)。

在步步緊逼的態(tài)勢(shì)下，我們必須承認(rèn)，中國(guó)需要中長(zhǎng)期的先進(jìn)技術(shù)，更需要的是處理器芯片設(shè)計(jì)人才。

針對(duì)處理器設(shè)計(jì)人才危機(jī)，國(guó)科大于 2019 年 8 月啟動(dòng)了「一生一芯」計(jì)劃，目標(biāo)是通過(guò)讓本科生設(shè)計(jì)處理器芯片并完成流片，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的處理器芯片設(shè)計(jì)人才。

去年，國(guó)科大在本科新生錄取通知書(shū)中嵌入了「龍芯三號(hào)」芯片，被網(wǎng)友稱為「硬核錄取通知書(shū)」，讓人記憶猶新。這一次，硬核畢業(yè)證「果殼」誕生的背后，又有著怎樣的探索與挑戰(zhàn)？

包云崗：「一生一芯」背后的故事

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員包云崗也是「一生一芯」計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，他在知乎上詳細(xì)介紹了該計(jì)劃的啟動(dòng)與實(shí)施歷程。

原文內(nèi)容整理如下：

一、醞釀?

2018 年 11 月 8 日，烏鎮(zhèn)，世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)，經(jīng)過(guò) 9 個(gè)月籌備工作，中國(guó)開(kāi)發(fā)指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟正式成立。晚上在烏鎮(zhèn)的一家餐館慶祝時(shí)，坐在我邊上的一位老師問(wèn)了個(gè)問(wèn)題：「以后打算怎么做開(kāi)源芯片生態(tài)？」其實(shí)這也是在 2018 年期間我經(jīng)常問(wèn)自己的一個(gè)問(wèn)題，我有一個(gè)很粗的想法——能不能讓學(xué)生參與到開(kāi)源芯片生態(tài)建設(shè)中——經(jīng)常會(huì)浮現(xiàn)出來(lái)。聽(tīng)了那位老師的問(wèn)題，我在腦海中又浮現(xiàn)出這個(gè)想法，然后就在飯桌上一邊整理思路一邊介紹如何將教學(xué)和開(kāi)源芯片結(jié)合起來(lái)。這應(yīng)該是「一生一芯」計(jì)劃的最初萌芽。

那時(shí)還沒(méi)想到「一生一芯」這個(gè)名字，但已經(jīng)大致形成了這樣的目標(biāo)——讓本科生也能做處理器芯片，讓本科生能帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)。但聯(lián)盟成立后，這個(gè)想法并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性推動(dòng)。

2019 年 5 月 16 日華為被美國(guó)列入實(shí)體名單，全國(guó)震驚。各界都在想能為華為做些什么，我們也在思考。但是，我們是做開(kāi)源芯片的，華為暫時(shí)還用不上；我們采用的是開(kāi)放的 RISC-V 指令集，而華為的主力芯片都是基于 ARM?？雌饋?lái)我們是無(wú)法幫助華為解決燃眉之急了。但和華為專家交流后，他們說(shuō)短期內(nèi)的需求華為自己基本能應(yīng)對(duì)，他們更需要的是中長(zhǎng)期的先進(jìn)技術(shù)，而最需要的是處理器芯片設(shè)計(jì)人才。因?yàn)槿A為的芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)很多在美國(guó)硅谷，由于美國(guó)的出口管制，雖然是華為的全資子公司，但其技術(shù)也不能輸入到華為總部。這導(dǎo)致華為在美國(guó)的芯片設(shè)計(jì)人才不能再發(fā)揮作用，但在國(guó)內(nèi)又招不到這樣的人才。這才是華為的心腹之患。

華為在國(guó)內(nèi)找不到處理器芯片設(shè)計(jì)人才的情況是在意料之中。2017 年，我曾安排組里的學(xué)生統(tǒng)計(jì)過(guò) 2008~2017 十年的體系結(jié)構(gòu)頂級(jí)會(huì)議 ISCA 論文第一作者的情況，最后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)秀人才 85% 選擇在美國(guó)就業(yè)，僅有 4% 在中國(guó)就業(yè)，差距巨大。這和國(guó)內(nèi)很多大學(xué)不開(kāi)展處理器芯片設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)與研究密切相關(guān)。

事實(shí)上，類似的人才危機(jī)美國(guó)也曾經(jīng)歷過(guò)，1982 年全美上千所大學(xué)中只有不到 100 位教授和學(xué)生從事半導(dǎo)體相關(guān)的研究 。為了應(yīng)對(duì)人才危機(jī)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署 (DARPA) 在 1981 年啟動(dòng) MOSIS 項(xiàng)目，為大學(xué)提供流片服務(wù)，通過(guò) MPW 模式大幅降低芯片設(shè)計(jì)門(mén)檻。30 余年來(lái) MOSIS 為大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)流了 60000 多款芯片，培養(yǎng)了數(shù)萬(wàn)名學(xué)生。

由此可見(jiàn)，降低芯片設(shè)計(jì)門(mén)檻，讓學(xué)生能設(shè)計(jì)自己的芯片并流片，可大幅提高人才培養(yǎng)效率。這和我此前的構(gòu)想和目標(biāo)完全一致。我們不能再耽誤了，要加速人才培養(yǎng)計(jì)劃。

二、正式啟動(dòng)?

我自作主張地給這個(gè)計(jì)劃起了個(gè)名字：「一生一芯」。初衷是希望有一天能讓每一個(gè)學(xué)生都能帶著自己設(shè)計(jì)的芯片畢業(yè)，不管未來(lái)是不是真得能實(shí)現(xiàn)，這至少聽(tīng)起來(lái)是一個(gè)美好的理想，而且還有一點(diǎn)爛漫——后來(lái)很多人聽(tīng)到這個(gè)名字，第一印象大多是「一輩子做一顆芯片」。還有女生有更浪漫地理解：「一生一心一意愛(ài)一人」。不管如何，看來(lái)大家對(duì)這個(gè)名字似乎還都不反感。

然后，我又聯(lián)系了幾位國(guó)科大本科生，詢問(wèn)他們?cè)覆辉敢鈪⒓舆@個(gè)「一生一芯」計(jì)劃當(dāng)小白鼠。出于意料地是，這些準(zhǔn) 00 后（98/99 出生）都表示愿意挑戰(zhàn)一下，愿意當(dāng)小白鼠。

6 月 20 日，我在開(kāi)源芯片工作組群向大家宣布：?jiǎn)?dòng)「一生一芯」計(jì)劃！這并不是研制產(chǎn)品級(jí)芯片，而是一次教學(xué)實(shí)踐。很快唐丹老師為未來(lái)的芯片起好了內(nèi)部代號(hào)「COOSCA」，三門(mén)課 Computer Organization/Operating System/Computer Architecture 的縮寫(xiě)。

隨后開(kāi)始組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，隨著項(xiàng)目的進(jìn)行教學(xué)團(tuán)隊(duì)也在不斷擴(kuò)大：唐丹老師和工程師劉彤負(fù)責(zé) SoC 架構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，余子濠老師負(fù)責(zé)處理器核設(shè)計(jì)（其實(shí)子濠還是博士生，但因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域很有名，所以我們也半開(kāi)玩笑地叫他老師），張科老師負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)、與國(guó)科大對(duì)接，并和常軼松老師、趙然老師一起在 FPGA 模擬仿真方面進(jìn)行指導(dǎo)，解壁偉老師和李嶧工程師在后端物理設(shè)計(jì)上給予支持，深圳大學(xué)蔡曄老師則參與幫助設(shè)計(jì) PCB 板卡，另外蔣德鈞老師和王卅老師是國(guó)科大本科操作系統(tǒng)任課老師，在操作系統(tǒng)方面給予支持，兩位博士生王誨喆與徐易難也擔(dān)任起助教的角色，幫助答疑解惑。而我自己，則更像是一個(gè)啦啦隊(duì)長(zhǎng)，給大家打雞血。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始行動(dòng)起來(lái)了，大家討論制定總體方案，確定技術(shù)路線，選擇基礎(chǔ)平臺(tái)，搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇流片工藝和班車…… 參加首期「一生一芯」計(jì)劃的同學(xué)也最終確定，一共有五位，他們是金越、王華強(qiáng)、王凱帆、張林雋和張紫飛。這五位同學(xué)通過(guò)了計(jì)算所暑期夏令營(yíng)面試，均被錄取為計(jì)算所研究生，其中金越導(dǎo)師是陳明宇研究員，王華強(qiáng)導(dǎo)師是蔣德鈞副研究員，王凱帆導(dǎo)師是孫凝暉院士，張林雋和張紫飛的導(dǎo)師則是我。但接下來(lái)的時(shí)間，他們將組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，一起挑戰(zhàn)帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)這個(gè)任務(wù)。

8 月 20 日，當(dāng)唐丹老師和解壁偉老師終于落實(shí)中芯國(guó)際 110nm 工藝的流片渠道后，「一生一芯」計(jì)劃一切準(zhǔn)備就緒。

8 月 27 日，參加「一生一芯」計(jì)劃的首批五位同學(xué)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)一起在我的辦公室開(kāi)了一次簡(jiǎn)單但意義重大的動(dòng)員大會(huì)?！敢簧恍尽褂?jì)劃正式啟動(dòng)！

項(xiàng)目分工

三、四個(gè)月高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)

開(kāi)弓沒(méi)有回頭箭。唐丹老師確定了最合適的流片班車是 12 月 17 日，距離動(dòng)員大會(huì)不到 4 個(gè)月！這樣芯片能在 4 月份完成封裝，返回進(jìn)行測(cè)試。如果一切順利，那就可以趕上五月底或六月初的國(guó)科大本科畢業(yè)答辯，到時(shí)可以在答辯現(xiàn)場(chǎng)展示芯片。但是如果錯(cuò)過(guò)這趟班車，那就需要再等 2 個(gè)月趕下一趟班車，這就意味著芯片不可能在畢業(yè)答辯時(shí)返回?！敢簧恍尽箞F(tuán)隊(duì)需要跟時(shí)間賽跑。

我們?cè)诖_定總體方案時(shí)有兩個(gè)決定：

一是用 Chisel 開(kāi)發(fā)，此前我們實(shí)驗(yàn)室做過(guò) Chisel 與 Verilog 在開(kāi)發(fā)效率和開(kāi)發(fā)質(zhì)量上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明 Chisel 能數(shù)倍替身開(kāi)發(fā)速度，同時(shí)開(kāi)發(fā)質(zhì)量不比 Verilog 差，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在論文《芯片敏捷開(kāi)發(fā)實(shí)踐：標(biāo)簽化 RISC-V》。

二是以余子濠為南大開(kāi)發(fā)的一款教學(xué) RISC-V 處理器核為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，這主要是因?yàn)橛嘧渝┰陂_(kāi)發(fā)這款處理器的過(guò)程中構(gòu)建了豐富的工具，包括 NEMU 軟件模擬器、指令差分測(cè)試框架等，這些都有助于加速開(kāi)發(fā)。而教學(xué)處理器功能還很基礎(chǔ)，要能運(yùn)行 Linux 并且支持流片，需要新增大量新功能，包括 RV64IM/RVC/RVA 等指令擴(kuò)展、時(shí)鐘中斷、硬件填充的 TLB、M/S/U 特權(quán)級(jí)、缺頁(yè)異常、Cache 預(yù)取、SDRAM 控制器、外圍 I/O 設(shè)備…… 這是一種貼近實(shí)戰(zhàn)的開(kāi)發(fā)模式——實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)和科研工作中，往往不是總是從頭開(kāi)始，更多的是在已有的基礎(chǔ)上，增加新的功能，提高性能等等。這就需要培養(yǎng)學(xué)生「理解 - 消化 - 創(chuàng)新」的能力。

接下來(lái)是 4 個(gè)月高強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)，然而有些關(guān)鍵模塊的工作原理是課堂上沒(méi)有介紹過(guò)的，同學(xué)們還需要進(jìn)行一些探索性的嘗試，有時(shí)甚至需要將此前的設(shè)計(jì)推倒重來(lái)，他們會(huì)因此感到焦慮或沮喪，這對(duì)他們的心態(tài)也是很大的考驗(yàn)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)不僅僅需要給予技術(shù)指導(dǎo)，還需要對(duì)學(xué)生的心態(tài)進(jìn)行正確的引導(dǎo)，告訴他們不確定性是探索過(guò)程中的客觀規(guī)律，然后引導(dǎo)他們?nèi)タ偨Y(jié)探索失敗的經(jīng)驗(yàn)，去深刻地分析當(dāng)前方案不可行的原因，從而加深對(duì)問(wèn)題的理解，讓他們正確認(rèn)識(shí)到探索失敗的意義。

雖然任務(wù)極具挑戰(zhàn)，但不斷有進(jìn)展。每取得一個(gè)小里程碑，大家都會(huì)記錄下那個(gè)時(shí)刻，精確到分鐘，因?yàn)橛X(jué)得未來(lái)有一天也許用得上。后來(lái)，這些時(shí)刻真的用上了，就是宣傳視頻中的那條時(shí)間線。這個(gè)過(guò)程中，國(guó)科大各方給了很大的支持，從校領(lǐng)導(dǎo)到本科部、計(jì)算機(jī)學(xué)院各級(jí)都很關(guān)心和重視；

在中科院計(jì)算所，所長(zhǎng)孫凝暉院士、主管教學(xué)的陳熙霖副所長(zhǎng)、教育處李琳老師等都給予全方位的保障與支持。這也賦予了「一生一芯」團(tuán)隊(duì)某種使命感，更激發(fā)了大家的斗志。

12 月 19 日，COOSCA 1.0 芯片版圖凍結(jié)。當(dāng)唐丹老師告知版圖已經(jīng)正式提交，大家就如高考交卷，終于舒了一口氣，卻又懸起了一顆心。

四、疫情中的測(cè)試驗(yàn)證

等待芯片返回是一種既期盼又擔(dān)憂的感覺(jué)。這種感覺(jué)又進(jìn)一步被突如其來(lái)的疫情放大了。當(dāng) 1 月 23 日宣布武漢封城后疫情不斷發(fā)展，我們也越來(lái)越擔(dān)憂正在流片中的那顆 COOSCA 芯片還能不能按時(shí)回來(lái)，還能不能趕上畢業(yè)答辯。出乎意外的是芯片基本按照預(yù)期時(shí)間返回了，在這里我們要對(duì)中芯國(guó)際和封測(cè)企業(yè)的員工們表達(dá)深深的敬意！

然而疫情還是對(duì)測(cè)試工作產(chǎn)生了影響，因?yàn)閷W(xué)生不能返校，無(wú)法到在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試。余子濠、蔡曄和劉彤三位挺身而出，協(xié)助調(diào)試測(cè)試工作。測(cè)試驗(yàn)證工作其實(shí)也是非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閺牡讓?PCB 版圖、內(nèi)存顆粒到中間處理器設(shè)計(jì)、到上層操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，每個(gè)層次都可能出問(wèn)題。哪怕一個(gè)小問(wèn)題，都會(huì)造成芯片無(wú)法正常工作。

經(jīng)過(guò)大約 1 個(gè)月的調(diào)試測(cè)試，終于證明芯片一切正常，可以啟動(dòng) Linux 操作系統(tǒng)。但也發(fā)現(xiàn)了芯片的 I/O 模塊存在 bug，影響了 SD 卡的讀寫(xiě)。測(cè)試驗(yàn)證也是充滿了戲劇性。一開(kāi)始調(diào)試時(shí)比較保守，將芯片降到了 50MHz，沒(méi)想到系統(tǒng)出現(xiàn)了很多問(wèn)題。

后來(lái)把芯片頻率從 50MHz 跳到了 200MHz，結(jié)果原來(lái)很多問(wèn)題都消失了，能穩(wěn)定地運(yùn)行 Linux。又進(jìn)一步把頻率提高到了 350MHz，啟動(dòng) Linux 出現(xiàn)了問(wèn)題，但是可以穩(wěn)定地運(yùn)行 RT-Thread。這個(gè)頻率和后端仿真基本一致。這也驗(yàn)證了用 Chisel 開(kāi)發(fā)和 Verilog 開(kāi)發(fā)對(duì)后端物理設(shè)計(jì)并沒(méi)有很大的影響。

五、畢業(yè)答辯演示

2020 年 6 月 2 日，國(guó)科大本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯日。五位同學(xué)分別介紹了他們基于 COOSCA 處理器核的進(jìn)一步優(yōu)化工作：

• 王華強(qiáng)：《基于 RISC-V 的亂序多發(fā)射處理器設(shè)計(jì)》

• 張紫飛：《基于 RISC-V 的向量處理單元設(shè)計(jì)》

• 張林雋：《開(kāi)源處理器分支預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化》

• 金越：《基于敏捷開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的開(kāi)源處理器非阻塞緩存的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》

• 王凱帆：《RISC-V 平臺(tái)下的二進(jìn)制翻譯與優(yōu)化》

其中王凱帆的畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用了 COOSCA 核，也是他們自己設(shè)計(jì)的核首次在科研中得到應(yīng)用。

王華強(qiáng)同學(xué)代表「一生一芯」團(tuán)隊(duì)展示了 COOSCA 芯片的功能。他進(jìn)一步又將這個(gè)核改進(jìn)為亂序多發(fā)射，在 FPGA 上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果顯示比 COOSCA 核的 IPC 提升了一倍。他的畢業(yè)設(shè)計(jì)也獲得了國(guó)科大校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)。

五位本科生，實(shí)現(xiàn)了帶著自己設(shè)計(jì)的處理器芯片畢業(yè)這個(gè)目標(biāo)！

后來(lái)，王凱帆又將國(guó)科大操作系統(tǒng)課程上同學(xué)們自己編寫(xiě)的 UCAS-Core 移植到了 COOSCA 核上，實(shí)現(xiàn)了用自己寫(xiě)的 CPU 運(yùn)行自己寫(xiě)的操作系統(tǒng)這個(gè)小目標(biāo)。

六、「果殼」公開(kāi)亮相

CRVA 聯(lián)盟將于 7 月 18 日召開(kāi) RISC-V 年中技術(shù)研討會(huì)，「一生一芯」團(tuán)隊(duì)決定讓王華強(qiáng)提交一份設(shè)計(jì)報(bào)告，正式向社區(qū)介紹 COOSCA 核的設(shè)計(jì)。提交前，大家覺(jué)得 COOSCA 是一個(gè)內(nèi)部代號(hào)，現(xiàn)在要公開(kāi)亮相了，應(yīng)該有個(gè)正式一點(diǎn)的名字。同學(xué)們討論后，決定改名為「果殼（NutShell）」，和國(guó)科大的「國(guó)科」同音?？梢钥吹贸鰜?lái)，他們對(duì)國(guó)科大確實(shí)有些深厚的情感。

五位同學(xué)開(kāi)始一起為「果殼」的首次亮相做了大量準(zhǔn)備工作：王凱帆整理了代碼以及相應(yīng)的文檔，并在 Github 上開(kāi)源，王華強(qiáng)整理了一份介紹「果殼」設(shè)計(jì)的報(bào)告 PPT。7 月 18 日，王華強(qiáng)在技術(shù)研討會(huì)第二個(gè)出場(chǎng)，介紹了果殼的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和一些開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。這是報(bào)告視頻：

「果殼」設(shè)計(jì)開(kāi)源鏈接：https://github.com/OSCPU/NutShell

7 月 22 日，王華強(qiáng)又收到了「果殼」被 RISC-V Global Forum 被接收的通知。9 月 3 日，王華強(qiáng)同學(xué)將代表團(tuán)隊(duì)向全球業(yè)界介紹「果殼」的設(shè)計(jì)，這也是「果殼」首次在國(guó)際舞臺(tái)上亮相。看了一下這次 RISC-V 全球論壇的日程，報(bào)告均來(lái)自世界各地的業(yè)界資深專家，還包括圖靈獎(jiǎng)得主 David Patterson 教授。國(guó)科大本科生能登上 RISC-V 全球論壇介紹他們?cè)O(shè)計(jì)的處理器核，這在國(guó)際上也是非常難得了。作為教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，我們內(nèi)心也有一份自豪。

日程：https://events.linuxfoundation.org/riscv-global-forum/program/schedule/?

七、收獲與體會(huì)

我們?cè)谡{(diào)研中發(fā)現(xiàn)和「一生一芯」計(jì)劃目標(biāo)最接近的是 2017 年春季開(kāi)始 UC Berkeley 開(kāi)了一門(mén)新課 EE194/290C「28nm SoC for IoT」，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè) SoC 芯片，集成各種 IP 模塊，包括一個(gè) Berkeley 開(kāi)發(fā)的 RISC-V Rocket 處理器核。這門(mén)課以流片為目標(biāo)，2017 年春由 9 位本科生與 1 位研究生參加，通過(guò) 1 學(xué)期完成了流片，但未提供信息證明芯片能正常工作。

伯克利 EE194/290C 這門(mén)課是根據(jù)已有的 RISC-V 核和其他 IP 核進(jìn)行 SoC 集成。而「一生一芯」與 EE194/290C 課程的區(qū)別在于要讓本科生直接設(shè)計(jì)一款 64 位 RISC-V 處理器，然后在這個(gè)核的基礎(chǔ)上，學(xué)生們需進(jìn)一步集成與驗(yàn)證一系列外圍 IP，最終形成一個(gè)能運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)的 SoC 芯片，這極具挑戰(zhàn)。

一年前，我們不知道這個(gè)目標(biāo)是不是可行，最終能不能成功。但如今，我們探了回路，并且把路走通了，證明是可行的。這個(gè)摸索的過(guò)程積累了不少經(jīng)驗(yàn)，也充滿了教訓(xùn)。五位同學(xué)作為小白鼠參與首期「一生一芯」計(jì)劃，成長(zhǎng)了很多。他們不僅在項(xiàng)目中掌握了處理器芯片設(shè)計(jì)所需的專業(yè)知識(shí)，也鍛煉出了優(yōu)秀人才所具備的出色心理素質(zhì)。一起來(lái)看看他們的感悟：

如今，這五位同學(xué)正在參與一個(gè)更有挑戰(zhàn)的項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)一款高性能亂序多發(fā)射 RISC-V 處理器核的設(shè)計(jì)。一年前，他們?cè)谧觥腹麣ぁ箷r(shí)還有些吃力，現(xiàn)在已是這個(gè)新團(tuán)隊(duì)中的骨干，和其他博士生和工程師們一起攻堅(jiān)克難。去掉團(tuán)隊(duì)中蔡曄、唐丹和我這三位 40 歲以上的中年人，這支隊(duì)伍平均年齡只有 23.1 歲，但他們表現(xiàn)出來(lái)的戰(zhàn)斗力卻是驚人的——不到三個(gè)星期就從頭開(kāi)始完成了亂序處理器主流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò) CoreMark 測(cè)試。等到他們 30 歲時(shí)，就可以說(shuō)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。那時(shí)，他們將進(jìn)入各自的工作崗位，也許去工業(yè)界研發(fā)產(chǎn)品，也許在學(xué)術(shù)界做科研。相信那時(shí)他們的創(chuàng)造力會(huì)得到更大的發(fā)揮和展現(xiàn)。我對(duì)這批年輕人的未來(lái)充滿期待。

從教學(xué)團(tuán)隊(duì)角度來(lái)看，除了前期在總體方案、環(huán)境平臺(tái)等方面需做好充分準(zhǔn)備以外，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有四方面指導(dǎo)尤其重要（以下為余子濠老師總結(jié)）：

1. 項(xiàng)目規(guī)劃和分工。 學(xué)生在開(kāi)發(fā)初期不一定能完全掌握芯片中各個(gè)模塊之前的關(guān)系，此時(shí)需要教師對(duì)學(xué)生的工作進(jìn)行較為細(xì)致的分工，讓學(xué)生通過(guò)一些初期的任務(wù)來(lái)認(rèn)識(shí)芯片的全貌。隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，學(xué)生對(duì)芯片的認(rèn)識(shí)逐漸清晰之后，教師進(jìn)行的分工可以向粗略的方向轉(zhuǎn)變，向?qū)W生提出清晰的任務(wù)目標(biāo)，并讓學(xué)生嘗試提出自己的解決方案。

2. 引導(dǎo)學(xué)生了解項(xiàng)目中的每一處細(xì)節(jié)。 芯片是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，學(xué)生需對(duì)芯片每一個(gè)模塊的行為都有所了解，還需要了解程序在芯片上運(yùn)行的每一處細(xì)節(jié)。但是學(xué)生一開(kāi)始往往不能從課程設(shè)計(jì)的模式中轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)，認(rèn)為只需要了解自己任務(wù)相關(guān)的模塊即可，不去主動(dòng)了解其它模塊，不去了解軟件層次的行為。這導(dǎo)致他們?cè)谟龅絾?wèn)題會(huì)想不出解決的思路。此時(shí)教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，讓他們主動(dòng)去認(rèn)識(shí)芯片甚至是軟件行為的每一處細(xì)節(jié)。在遇到困難的時(shí)候，這些認(rèn)識(shí)就會(huì)成為解決問(wèn)題的線索，順著線索去追溯問(wèn)題的過(guò)程又會(huì)進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)這些認(rèn)識(shí)的理解，從而形成良性循環(huán)。

3. 指導(dǎo)學(xué)生使用在課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)解決開(kāi)發(fā)中遇到的實(shí)際問(wèn)題。 芯片開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能會(huì)遇到各種困難，一些表面上看像是硬件設(shè)計(jì)的問(wèn)題，最終可能是軟件配置錯(cuò)誤造成的。解決這些困難需要學(xué)生站在全局的視角來(lái)分析問(wèn)題，并與課堂上學(xué)習(xí)到的知識(shí)建立聯(lián)系，從中尋找解決問(wèn)題的可能性。教師需要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀測(cè)到的現(xiàn)象進(jìn)行思維的發(fā)散，主動(dòng)思考可能與哪些學(xué)過(guò)的知識(shí)建立聯(lián)系。如果學(xué)生面對(duì)一些比較困難的問(wèn)題，也會(huì)需要教師進(jìn)行點(diǎn)撥。

4. 引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)探索過(guò)程中的不確定性。 在一款功能完整的芯片，有一些關(guān)鍵模塊的原理是課堂上沒(méi)有詳細(xì)介紹的，學(xué)生要正確地實(shí)現(xiàn)這些模塊，需要一個(gè)探索的過(guò)程。這意味著學(xué)生不能像課程作業(yè)那樣按部就班地完成，而是會(huì)經(jīng)歷設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，甚至是整個(gè)方案的推倒重來(lái)。這容易導(dǎo)致學(xué)生感到焦慮或沮喪，因此教師需要對(duì)學(xué)生的心態(tài)進(jìn)行正確的引導(dǎo)，告訴他們不確定性是探索過(guò)程中的客觀規(guī)律，然后引導(dǎo)學(xué)生去總結(jié)探索失敗的經(jīng)驗(yàn)，去深刻地分析當(dāng)前方案不可行的原因，從而加深對(duì)問(wèn)題的理解，讓學(xué)生正確認(rèn)識(shí)到探索失敗的意義。

八、花絮

為國(guó)科大發(fā)布會(huì)準(zhǔn)備的視頻，最后有彩蛋

最后，再看一下「一生一芯」計(jì)劃的宣傳視頻吧：

原文鏈接：https://www.zhihu.com/question/409298856

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