【中國科學報】“一生一芯”：零基礎“小白”，自學也能造芯片
如果你不懂計算機理論，或是一名藝術生，但突然想造一枚芯片，這算天方夜譚嗎？
知乎的一位年度新知答主會告訴你，這不是幻想，而且已經(jīng)有本科生做到了。就在今年，這位答主還幫助哈薩克斯坦的一位學生造出了該國第一枚自主設計的處理器芯片。
這位不斷在社交媒體上給學生們“打雞血”的“科研八卦人”，正是中國科學院計算技術研究所（以下簡稱計算所）副所長、研究員包云崗。
6年前，作為中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長，包云崗以中國科學院大學為大本營，立下“讓本科生也能做處理器芯片，讓本科生也能帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)”的目標，并由此開啟了“一生一芯”項目。
如今，這個項目已經(jīng)從第一期的5名學生，到參與人數(shù)破萬、覆蓋國內(nèi)外800余所高校，并開設多個高校工作室試點。這個以學生自主學習為主的“教育實驗”，遠超包云崗最初的構想。
不同專業(yè)、不同學歷，這群在“象牙塔”里因為熱愛聚集在一起的年輕人，已經(jīng)開始學著主導自己的故事了。
讓本科生做芯片
2018年11月8日，在我國烏鎮(zhèn)舉行的世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，中國開發(fā)指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟正式成立。晚間的慶功宴上，包云崗提出一個大膽的想法——讓學生參與開源芯片建設。
“讓本科生也能做處理器芯片，讓本科生也能帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)?！卑茘徱贿吽伎?，一邊講述如何將教學和開源芯片相結(jié)合。桌上的人都漸漸放下筷子，聚精會神聽他介紹。
讓本科生做芯片，能成嗎？
“通過長期觀察，我發(fā)現(xiàn)我國在計算機體系結(jié)構領域的人才短板問題十分明顯，學術界和工業(yè)界的交流與合作不足。”包云崗告訴《中國科學報》，在傳統(tǒng)芯片設計人才的培養(yǎng)中，學生經(jīng)過四年或七年的理論學習后，再進入工業(yè)界了解開發(fā)流程，周期長、耗時久。
“在有些學科（如計算機系統(tǒng)），學生只有通過‘做中學’這種教育模式才能真正掌握知識，而不是聽講、閱讀與做題。”包云崗曾在知乎回答，實踐對于系統(tǒng)類課程至關重要。那么，“如何彌補教學環(huán)節(jié)中的實踐缺口，讓感興趣的學生盡早接觸真正的芯片開發(fā)流程？”
恰逢其時，RISC-V進入了他的視野。
面對全球芯片行業(yè)被X86架構和ARM架構壟斷的局面，美國加州大學伯克利分校教授克斯特·阿薩諾維奇（Krste Asanovi）和圖靈獎得主大衛(wèi)·帕特森（David Patterson）決心打造一個開源指令集架構。2011年，他們發(fā)布了RISC-V的初始規(guī)范，包括32位和64位的基本指令集。
一條新的賽道正在開啟——任何用戶都可以不受限制地獲得RISC-V指令集，并基于此進行學習和擴展，形成具有自主知識產(chǎn)權的處理器IP或芯片。
這將是一座巨大的寶庫，或許有望改寫半導體行業(yè)規(guī)則。
“2014年，我們就開始接觸RISC-V了?！卑茘徝翡J捕捉到這一機遇。2015年，RISC-V國際基金會正式成立，計算所作為創(chuàng)始成員參與其中。
然而，面對陌生領域，應該做些什么，又該怎么做？包云崗大膽假設：不如讓學生參與RISC-V的建設。
“一方面，RISC-V要快速發(fā)展壯大，需要更多人參與其中；另一方面，面對新技術，很多企業(yè)有顧慮，不敢貿(mào)然應用。”仔細梳理后，包云崗想到了Matlab，這是一款從學校實驗室“發(fā)家”的商業(yè)數(shù)學軟件，“從一個幫助學生理解數(shù)字計算的教學工具，逐漸發(fā)展成全球科學計算和仿真模擬領域的龍頭企業(yè)”。
這讓包云崗更加確信，“面對一個充滿不確定性的新興領域，學生反而更愿意嘗試新鮮事物”。他也曾總結(jié)Matlab發(fā)展折射的幾大理念，“追求把東西做出來，而不是把論文發(fā)出來；把東西用起來，而不是做完就扔；把教學場景用起來，而不是把教學當作負擔；把打持久戰(zhàn)的意識樹立起來，而不是期望速勝?！?/p>
他決定開展一場教育實驗：讓學生面對真實問題，親自動手去做、去嘗試，并應用所學的知識，將其轉(zhuǎn)化為實際的行動和能力。
“我自作主張地給這個計劃起了個名字：‘一生一芯’，初衷是希望有一天每一名學生都能帶著自己設計的芯片畢業(yè)?！卑茘徯α诵?。
2018年烏鎮(zhèn)的那個夜晚，他提及的這一想法得到了在場老師的認可和支持，“大家都關注到了芯片人才培養(yǎng)產(chǎn)學脫節(jié)的問題”。
“我相信‘一生一芯’終將改變芯片人才培養(yǎng)格局，但第一步必須打破‘本科生不能造芯片’的觀念桎梏?！卑茘徤袂閲烂C地說，“因此，選擇哪些老師、哪些學生參與，去哪里尋找合適的流片（即設計完電路后生產(chǎn)少量芯片樣品供測試用）渠道，各個方面都要做足準備?！?/p>
“最大的困難在于轉(zhuǎn)變思維”
2019年6月14日晚上9點05分，包云崗在教學團隊微信群里興奮地表示：“第一批‘小白鼠’找到了！”
“一生一芯”的首批“小白鼠”是中國科學院大學的5名2016級本科生。“這5名同學均被錄取為計算所研究生，我們逐一詢問了他們的意愿?！卑茘徃嬖V《中國科學報》，盡管學生們心里打鼓，但都愿意接受挑戰(zhàn)。
包云崗和教學團隊不敢懈怠。8月20日零點，微信群里依舊討論得熱火朝天：從總體方案到技術路線，從基礎平臺到開發(fā)環(huán)境，最后落實國產(chǎn)110納米工藝的流片渠道……敲定一切細節(jié)后，“一生一芯”計劃蓄勢待發(fā)。
8月27日，首批5名同學和教學團隊開了“簡單但意義重大”的動員會。在場的人有的穿著短褲，有的穿著涼拖，但所有人的心情都和這個夏日一樣火熱。
然而，團隊很快就碰到了“攔路虎”——要想在畢業(yè)答辯現(xiàn)場展示芯片，最合適的流片班車（即芯片生產(chǎn)時將多個集成電路設計合并在一起進行流片）時間只有12月17日，距離動員大會不到4個月。
“最大的困難在于轉(zhuǎn)變思維。”計算所博士、“一生一芯”計劃培養(yǎng)方案設計者兼首席講師余子濠打了個比方，真正的處理器是個復雜系統(tǒng)，課堂上學生接觸的更像是填空題，實際工程中面對的卻是問答題。“課程實驗的主要目標是鞏固知識點，但在真實的芯片制作過程中，學生需要從全局視角分析問題?！?/p>
“芯片開發(fā)過程中可能會遇到各種困難，一些看似硬件設計的問題，最終可能是軟件配置錯誤造成的?！卑茘徑忉?，實際的產(chǎn)品研發(fā)和科研工作中，往往不總是從頭開始，更多的是在已有的基礎上增加新功能、提高性能等，“這就需要培養(yǎng)學生‘理解—消化—創(chuàng)新’的能力”。
對教學團隊來說，這也是“摸著石頭過河”的嘗試。
“我們當時也沒有流片經(jīng)驗，學生更像是我們的隊友，一起探索?！庇嘧渝┱f，沒有手把手教學，“一生一芯”項目堅持教師引導思路、日常自主學習、獨立解決問題、每周集中匯報，有條不紊地朝目標前進。
熱火朝天的討論間外，RISC-V市場也是一番熱鬧景象。
2019年被稱作“RISC-V進入主流市場元年”，首屆“中國RISC-V論壇”召開、多家企業(yè)發(fā)布相關產(chǎn)品……計算所也不甘落后，牽頭發(fā)起“香山”高性能開源RISC-V處理器項目。
千帆競發(fā)的市場態(tài)勢下，對人才的需求也水漲船高。2020年6月2日，5名學生發(fā)布了由自己主導設計的64位RISC-V處理器SoC芯片——“果殼”，真正讓“一生一芯”走進了公眾視野。
“很高興能把課堂中的知識應用到實踐當中?！薄耙簧恍尽笔着蓡T王凱帆告訴《中國科學報》。后來，首批5名成員全部加入“香山”高性能開源RISC-V處理器項目，并成為技術骨干。
“考的就是真本事”
“第三期可以支持100名學生參加，有機會獲得自己設計的芯片！”2021年6月26日，包云崗在知乎發(fā)布招募令，“一生一芯”開始面向全國大規(guī)模招生。
不限專業(yè)、不限學歷，還能免費流片，不少人躍躍欲試。
“第三期報名人數(shù)超過700人。”余子濠說。這可難壞了教學團隊，老師少、學生多，該怎樣平衡教學資源？
“一生一芯”項目組的老師解壁偉想了個“好點子”——先選拔一批基礎好的學生擔任助教，再讓他們指導其他學生。這套“讓學生指導學生”的機制一直沿用至今。
第三期學員中，表現(xiàn)優(yōu)異者承擔起了助教的職能，計算所2022級直博生陳璐便是其中之一。她介紹說，目前“一生一芯”已建立了一個40~50人的學生助教團隊。
“要成為‘一生一芯’的正式學員，先要經(jīng)過預學習階段，具備一定的基礎水平后再參加入學答辯?！庇嘧渝┰敿毥獯鹆恕耙簧恍尽钡呐囵B(yǎng)流程，“報名‘一生一芯’后，學生助教會組織線上學習、答疑解惑，沒有截止日期（DDL）和硬性時間要求，完全是隨到隨學的模式”。
不過，這一靈活自由的教學模式也對授課內(nèi)容提出了嚴格要求，要讓大家都看得懂、學得明白，必須有一本足夠詳細、豐富、深入淺出的講義。
于是，在科研課題和“一生一芯”項目兩頭跑的余子濠，開始擠時間整理思路和內(nèi)容。一字字、一句句、一行行，慢慢地，從第三期120個字的簡單表格擴充成44萬字的詳細講義。
“這套講義不僅教你知識，還會教你如何獲取知識?！鄙虾？萍即髮W2024級碩士生姜海天說，“相比市面上的其他教材，這本講義更成體系，任何人都能免費獲取。”
“‘一生一芯’對絕大部分學生來說并不輕松，不僅要學習新知識，在新環(huán)境中使用新工具，還要鍛煉獨立解決問題的意識和能力。”余子濠解釋，“一生一芯”希望幫助學生完成從課堂學習到解決業(yè)界和科研真實問題的過渡，在理解知識點、具備全局系統(tǒng)觀的基礎上，尋找解決問題的線索。“講義不會告訴你所有細節(jié)，你需要從相關資料和代碼中找到重要信息?！?/p>
“獨立解決問題才是最大的訓練。”余子濠反復強調(diào)，同學提供思路、助教幫忙設計方案、找“大佬”要一本攻略手冊……任何直接獲得答案的做法都是在放棄訓練的機會。“只有在試錯中才能真正理解‘為什么好、為什么不好’?！?/p>
解壁偉笑稱，“一生一芯”的成功離不開兩大“法寶”，一個是豐厚、翔實的講義，另一個是認真、嚴謹?shù)膶W生助教團隊。
2024年，姜海天也加入了助教團隊。深感以往高度依賴人工維護培養(yǎng)流程的繁雜，他干脆設計了一套自動化方案，用以支撐更大規(guī)模的人才培養(yǎng)。
最后，只有通過在線調(diào)試考核的學生，才能獲得流片機會?！爸虝S機注入3個程序漏洞或錯誤（bug），涵蓋軟件、硬件和環(huán)境，學生必須在指定時間內(nèi)排除?！庇嘧渝┱f，在真實的項目中，問題可能會出現(xiàn)在任何地方，“一生一芯”希望通過新型考核方式，引導大家掌握計算機系統(tǒng)的全局構建能力?！皡⒖即a、‘抱大腿’都沒戲，考的就是真本事?！?/p>
熱愛沒有門檻，也不是“名校特供”
“什么樣的事值得我們投入去做，甚至投入一輩子去做？有意義但難度很大的事情?！卑茘徳绱嗽u價“一生一芯”，也曾笑稱自己“更像個啦啦隊長，給大家打雞血”。
“精神力量”是包云崗常常掛在嘴邊的詞，不僅包括信念的力量，更要有“干一行愛一行”的熱愛和內(nèi)驅(qū)力。
隨著“一生一芯”的招牌被越擦越亮，很多零基礎的“小白”也慕名而來。山東建筑學院2020級本科生王郅尊就是其中之一。
自幼學習美術的他，在一次寫生途中偶然刷到一篇知乎文章?！按蠹艺f‘一生一芯’難度很高，很多名校出身、相關專業(yè)的學生都堅持不下來?！彼恍判?，“真有這么難嗎？我想報名試試。”
從藝術專業(yè)“跨行”學習芯片設計的他，起初甚至不知道什么是數(shù)字電容、模擬電路。他開始沒日沒夜地補課：C語言基礎、數(shù)字電路……“基本上一天能學12個小時”。主動學習新知識、在實踐中發(fā)現(xiàn)并解決問題，在啃下“硬骨頭”的過程中，他慢慢萌生了對芯片的濃厚興趣。
“他對知識的理解能力、動手實踐能力都很優(yōu)秀。”包云崗對王郅尊印象深刻，“如今，他已經(jīng)成了‘香山’項目開發(fā)中的核心骨干?！?/p>
從完全零基礎入門到完成流片大概需要500個小時。余子濠提到：“這和修讀本科計算機系統(tǒng)方向的所有核心課程，并完成相應的課程項目所花的時間差不多。這樣看，人才培養(yǎng)沒有捷徑?！?/p>
“我們不看重學生的基礎，更重視他們做事情的態(tài)度?！卑茘彿磸蛷娬{(diào)，在他心里，“一生一芯”的最大特點是開源，用開放的姿態(tài)擁抱每一名因熱愛而相聚一堂的學生。這份熱愛沒有門檻，也不是“名校特供”。
目前，“一生一芯”的“朋友圈”越來越大：不少完成項目的學生因為熱愛而在各自學校播撒著“一生一芯”的種子。
深圳技術大學“一生一芯”工作室負責人、該校2022級本科生楊昊天告訴記者，為了幫助更多零基礎的同學入門，他們對“一生一芯”進行了更細的階段拆分，還設置了工作室小課堂、技術分享會等活動。
同時，“一生一芯”也嘗試走進課堂。計算所2025級直博生、“一生一芯”助教曾錦鴻表示，中國科學院大學的“開源處理器芯片設計實驗課”“希望將‘一生一芯’與課堂結(jié)合，讓大家對處理器芯片形成更系統(tǒng)的認識”。
“不少高中生也積極參與，我們希望從中挖掘更多對芯片感興趣、有熱情的苗子。”包云崗說。此外，“一生一芯”還和產(chǎn)業(yè)界成功“握手”，同武漢凌久微電子開展了為期半年的培訓合作，線下實踐基地的北京開源芯片研究院也獲得了專項經(jīng)費支持。
走過六載春秋的“一生一芯”得到了越來越多的認可。而這些成就背后，匯集了無數(shù)人的熱愛與奔赴，其中包括學生、助教、老師，以及包云崗本人。
“總要有人去做一些不同的事?！卑茘徳谥鯇懙?。開源芯片就是其中一件。“開源本身就是一種體制機制上的創(chuàng)新，而優(yōu)秀的開源項目就是一種記錄和傳播創(chuàng)新的出色載體，也是孕育創(chuàng)新的沃土。”
在以RISC-V為代表的開源芯片的新賽道上，賽點或許不是你有我無，也并非早一步或晚一步，而是開源生態(tài)的建設?！耙簧恍尽表椖浚瑸楦酂釔坌酒娜颂峁┝藦V闊舞臺，也在這片沃土收獲了累累碩果。
這一場別開生面的教學實踐，也成了連接世界的橋梁。
今年3月，在“一生一芯”項目組的支持下，哈薩克斯坦歷史上首枚由本國主導設計的處理器芯片在中國被成功點亮?！斑@是‘一生一芯’計劃首次走出國門、走向世界的第一步。”包云崗興奮地在知乎寫道。
（原載于《中國科學報》?2025-04-29?第4版?高教聚焦）