五位本科生4个月造出芯片毕业!新的后续来了……

文章中心8个月前发布 admin
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五名学生毕业时获得了4个月内构建的芯片!新的续集即将推出……

来源:科技日报

作者|科技日报记者张嘉伦

编辑|陈雷

“您如何评价中国科学大学(以下简称中国科大)的‘生命一核’计划?”

在一个问答网站上,这个问题的浏览量超过了1000万次。

五位本科生4个月造出芯片毕业!新的后续来了……

5名本科生率先完成了64位RISC-V处理器SoC芯片的设计与实现。这个芯片被称为他们的“最难度”。

芯片相关的新闻总能触动国人的心。

而当主角竟然是一些“核心毕业”的二十多岁的年轻人时,就更令人好奇了。

网上有很多不同的声音,有欢迎的,有悲观的,有的将其与中国芯片产业联系起来,写出长篇大论的分析。

现在,已有五名学生开始了新的工作。他们在深圳,参与设计新的更高性能的芯片。

8月中旬,他们还获得了新的身份——“生命核心”第二期助教。

大学生制作微芯片是天方夜谭吗?

该芯片于今年5月底通过快递送到了王华强家。

它大约是一元硬币大小,上面刻有“COOSCA-01”和“OneCoreforLife”字样以及国立科技大学的标志。

五位本科生4个月造出芯片毕业!新的后续来了……

COOSCA是国立科技大学计算机科学与技术学院三门课程——计算机构造原理、操作系统和计算机体系结构的内部代号和缩写。该计划的名称是“OneCoreforLife”,意思是每个毕业生都将配备一颗自己设计的处理器芯片。

受Covid-19疫情影响,今年国立科技大学大学毕业答辩将在网上举行。

王华强同学代表“一芯一生”团队向国防委老师们远程演示了该芯片。

他将芯片安装在测试板上,用串口线将测试板与电脑连接起来,打开电脑上的终端软件,按下测试板上的复位按钮,运行几个简单的程序——Linux系统开始运行head。

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王华强在远程毕业答辩中演示了芯片操作流程。来源:包云岗知乎回复

然而,去年夏天,当《生命一核》节目参与者张子飞第一次听说这个节目时,他的第一反应是“错觉”。

几个本科生能花几个月的时间设计出一款可以运行像Linux这样复杂的操作系统的芯片吗?

鲍云刚,“生命一个核”项目负责人、中国科学技术大学计算机学院教授、中国科学院计算机研究所先进计算机系统研究中心主任科学和技术。Science认为,开源时代,有可能降低芯片设计的门槛。

包云刚分析了2008年至2017年国际领先的计算机架构会议论文的第一作者发现,只有4%来自中国的大学和研究机构。

中国芯片设计行业人才匮乏。

RISC-V开放指令集和灵活的芯片开发语言Chisel可以将开发效率提高多个级别。

RISC-V一直是鲍云刚近年来的研究重点。这套指令可以自由用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。

2018年,包云刚隐约意识到RISC-V对于人才培养会有用处。2019年5月,华为被美国商务部列入实体清单,人才危机必须尽快找到出路。包云刚很快细化了自己模糊的想法:让学生通过学校的宽带计划,学习和实践灵活的芯片设计方法,完成芯片制造。

2019年8月,“一核一生”计划正式实施。这是一个教学练习。

国科大领导相信,它将开启大学教学创新的新篇章。

参赛的五名学生分别是金越、王华强、王开凡、张林军、张子飞。

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他们都是2016年中国科学技术大学计算机科学与技术系的本科生,当时他们还通过了中科院计算机技术研究所的科研夏令营。成为第一代吃螃蟹的人。

走进洞里,挖洞,然后爬出洞

事实上,摆在他们面前的是一条从未有人走过的路。

没有导航,所以他们需要自己对抗怪物和升级,同时尝试自己犯错误。

当然,他们不是在白纸上画画。

教学团队构建总体规划、确定技术路线、选择基础平台、搭建开发环境、选择流片流程和梭子。

在五名学生真正行动之前,强大的老师团队已经做好了护航学生渡过难关的准备。

芯片制作其实分为前端和后端。前端主要设计并使用数字电路来执行处理器功能;背面使用物理组件来实现这些设计。

“说我们制造所有芯片并不准确。实际上,我们只做前端逻辑设计。”王开凡强调。

他试图用最通俗的语言向科技日报记者解释设计芯片是什么样的——类似于画建筑物的施工图。然而,该图不是用线条呈现的,而是用一种称为Chisel的硬件语言呈现的。

此前,薄云刚曾在鲍云刚团队中学生学者余子豪开发了RISC-V处理器,用于南京大学的教学。“生命同心”计划的学生们要求在此基础上进行改进,让高年级学生建造的房子更加舒适、更加明亮。

鲍云刚表示,在实际的科研和产品开发工作中,往往不是从头开始,而是在现有基础上增加新功能、提高性能。“这培养了学生‘理解-消化-创新’的能力。”

我们采用了现在流行的“敏捷开发”模式:每个人负责一个或几个模块,协同工作,多条线路推进,然后整合。

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芯片设计和开发流程。图片来源:包云刚知乎问答

“OneCoreforLife”计划的目标很明确:在芯片上运行Linux系统并支持基本的输入和输出设备。

我们首先解决“是否可能”和“是否正确”的问题,然后再考虑“是否快”和“是否好”。

对于新的设计和施工团队来说,他们建造的第一栋房子必须确保它仍然屹立不倒。

从2019年8月正式开始设计,到12月中旬交付设计图,五人团队一步步走进坑,为别人挖坑,又艰难地爬出坑。

他们彻夜未眠,与不知道躲在哪里的bug作斗争,并与拖慢队友速度的担忧作斗争。

团队成员JinYue负责片上系统。

除中央处理器外,系统中还有五个控制器来执行特定功能。

这些控制器的代码由开源社区提供,但团队不知道控制器是否适合他们正在设计的芯片。

金越需要编写驱动软件来检查外围控制器是否设置正确并可以正常运行。

“如果出了问题就很麻烦了,是我的软件写错了还是外设控制器本身有问题?如果是外设控制器有问题,那么问题出在哪里呢?”

变量太多、排列组合太多,测试变得如此复杂,让大家头疼不已。

“在验证的日子里我几乎没睡觉。”金越半夜看着电脑,查着说明书、代码和波形,带着一点“我不信邪”般的怨恨:“我得把这个放进去,把东西拿出来。”

弄清楚问题出在哪里,是几乎每个项目参与者都会提到的“痛苦”经历,往往会导致“推葫芦瓢”。

作为队里唯一的女队员,张琳君负责预取。

你去图书馆想要找一本书。离你最近的书架上的书可能最少;距离较远的书架可以容纳更多的书,但到达那里也需要更长的时间。预取器就像一个图书管理员,提前了解你的兴趣,提前将他认为你会拿起的书放在离你最近的书架上,节省你搜索的时间。

“在实现此功能时,我同意预取器应放置在L1Cache中,这是一级缓存。”

一级缓存相当于一个离你较近但容量较小的书架。但奇怪的是,加入预取器后,芯片的性能受到影响,芯片的信息处理速度变慢。

她花了一个月的时间寻找问题、排除故障、修改和调试每个问题。随后提醒张林军,预取器可能放错了位置。“哎呀,真是郁闷啊,以前写的都没用,得从头开始。”将预取器切换为二级缓存后,困扰她一个月的问题终于消失了。

在真正采取行动之前,谁也没想到这里会出现问题。

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参加“一生一核”计划的五位同学从左到右分别是王华强、张林军、金越、王开凡、张子飞

“我们只知道如何从山脚走到半山腰。”

2019年12月,该芯片的版图设计正式提交并完成,基于中芯国际110nm工艺。

在平时的课程或者比赛中,学生也需要从头开始完成一个芯片的设计。但在课堂实践中,没必要测试得太彻底,只要设计出来的芯片能通过老师给出的一些测试分数,就算成功了。在“生命同一个核心”计划中,没有这样预先设计的“检查点”。你必须仔细地、仔细地思考。

不可否认,压力更大。

过去的芯片设计就像“纸上谈兵”,成功固然好,但失败似乎也无所谓。但这次流片是真金白银投入的,能不能用,几个月的心血是否白费,流片后就见分晓了。

这是“生命同核”项目的第一期,大家都希望项目能够有一个良好的开端。等待的日子里,他们既紧张又兴奋。

2020年4月23日,学生们从微信群得知,他们设计的处理器芯片已经退回。

但这还不是结束,还需要测试和验证。

“从底层PCB布局,到内存颗粒,到中间处理器设计,再到上层操作系统和应用软件,任何一个层面都可能出现问题。哪怕是一个小问题,都会导致芯片无法正常工作。”鲍云刚说道。

这次测试经历也充满波折,甚至有点戏剧性。

芯片到了之后,组里的老师测试了几个,但芯片实际上只是一块砖头,没有任何输出。一阵疑惑后,他们发现原来是因为主板上的电源线接错了,导致芯片“开机前死机”而烧坏。

然后,由于串口时钟频率设置的问题,导致芯片的性能始终不正常。经过一番摆弄,芯片已经调整到了最佳状态。

6月2日,在毕业警卫现场,王华强演示了该芯片的运行流程。

随后,王凯凡还将国科大操作系统课程学生写的UCAS-Core嫁接到COOSCA核心上,用他写的CPU来运行他写的操作系统。

到达深圳后,张子飞第一次看到了自己设计的芯片。

“当我第一次看到它时,我觉得这个芯片比我们想象的要小,而且看起来有点粗糙。”张子飞开玩笑说:“但是妈妈不觉得男孩子丑。”

国立科技大学的学生将母校简称为“Nutshell”,Nutshell也因此成为“OneChipforLife”计划中第一颗芯片的正式名称。

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王华强在今年7月的RISC-V年中技术大会上介绍了国科的设计细节以及开发过程中的经验。

9月3日,王华强将代表团队向全球合作伙伴介绍“果客”的设计。这也是“国科”首次登上国际舞台。

“国家科技大学生重磅毕业证”成为网上热议话题,但一些被尊为“大神”的学生却无意把这个项目做得太过分。

金越举了个例子:“现在我们只知道从山底走到半山有多难,却不知道从半山走到半山有多难。山的中间。”山眺望。”

因为爬过山、爬过坡,同学们知道自己都是菜鸟,缺乏经验、能力,需要练习。

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“一芯生命”项目负责人、中科院计算机技术研究所研究员鲍云刚正在讲解该芯片。照片由受访者提供

他们的平均年龄只有21.8岁。

鲍云刚表示,当他们30岁的时候,可以说在处理器芯片和计算机系统设计领域已经是“老手”了。无论他们进入工业界还是学术界,创造力都会得到更大程度的释放和表达。“我对这群年轻人的未来寄予厚望。”

“生命同核”计划第二期已经实施。

据鲍云刚介绍,第二期学生人数已增至13人。除中国科学技术大学外,还有来自浙江大学、南京大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学等五所高校的学生。科技(深圳)和美国密歇根州立大学。

文章中图片由作者提供

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评论|关静静

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