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才4个月五名本科生毕业于“核心建筑”

发布时间:2020-08-24  分类:新闻中心  作者:dadiao  浏览:6464

如何评价中国科学院大学(以下简称国家科技大学)的“一个生命,一个核心”计划在一个问答网站上,这个问题已经获得了超过1000万的关注。


5名本科生领导了64位RISC-V处理器SoC芯片的设计与实现。这种芯片被称为他们“最难的核心文凭”。


有关芯片的新闻总能打动中国人的心。当主角变成几个二十岁出头的年轻人,他们已经从核心课程毕业,这就更令人好奇了。互联网上有各种各样的声音,有人鼓掌,有人唱衰,有人将其与中国芯片产业联系起来,并撰写了长篇大论的分析。


现在,五个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,他们又有了一个新的身份,——,作为第二个“一个生命中的一个核心”项目的助教。


“一生一芯”:本科生做芯片不是天方夜谭


chip在今年5月底被快递到了王华强的家。


这是一枚一美元硬币大小的硬币,上面刻有“COOSCA-01”和“一生只有一个核心”的字样,以及国立科技大学的标志。


COOSCA是内部代码,是国立科技大学计算机科学与技术学院——计算机组成原理、操作系统和计算机体系结构的缩写。“一个生命中的一个核心”是这个项目的名字,这意味着每个大学生毕业时都会带着自己设计的处理器芯片。


受COVID-19肺炎疫情影响,今年的国防科技大学毕业答辩在网上进行。王华强代表“一个生命中的一个核心”小组,将芯片远程展示给国防委员会的老师们。他把芯片放在测试板上,用串行电缆把测试板连接到计算机上,打开计算机上的终端软件,按下测试板上的复位按钮,运行几个简单的程序。——分钟系统开始运行。


然而,去年夏天,当“一个生命,一个核心”项目的参与者张子非第一次听说这个项目时,他的第一反应是“天方夜谭”。几个大学生能在几个月内设计出一个能运行像Linu这样复杂操作系统的芯片吗?中国科学院计算技术研究所高级计算机系统研究中心主任、中国科技大学计算机科学学院教授、“一个生命中的一个核心”项目负责人包云刚认为,在开源时代降低芯片设计的门槛是可能的。


鲍云刚分析了2008年至2017年国际顶级计算机架构会议论文的第一作者,其中只有4%来自中国的大学和研究机构。中国处理器芯片设计行业缺人。


开放式指令集RISC-V和芯片敏捷开发语言Chine可以将开发效率提高几个数量级。RISC-V是包云刚近年来研究的重点。该指令集可自由用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。


2018年,鲍云刚隐约意识到RISC-V将有助于人员培训。2019年5月,华为被美国商务部列为实体,所以我们必须尽快找到出路。鲍云刚很快提炼出他模糊的想法:让学生学习和实践敏捷芯片设计方法,参与芯片设计和实现,通过大学电影制作计划完成芯片制造。


如果学生可以用自己的芯片毕业,这将是最特别的毕业纪念。


2019年8月,“一个生活中的一个核心”项目正式启动。包云刚称之为教学实践。国立科技大学的领导们相信,这将开启本科教学改革的新篇章。


五名参赛学生分别是、王华强、王、张琳娟和张子非,他们都是来自科技大学计算机科学与技术学院的2016届本科生。当时,他们都通过了中国科学院计算技术研究所的研究夏令营,成为第一批吃螃蟹的人。


在王华强看来,如果你能用自己的芯片运行自己的操作系统,那将是“浪漫”的。


计算机架构是一个古老但仍充满活力的领域。“我们现在使用的许多东西都是多年前的产物。随着科学技术的发展和形势的变化


踩坑、挖坑,再从坑里爬出来


这有多难,需要多长时间,可能会有什么坑……这些都是未知的。没有导航,他们需要升级自己,尝试自己的错误。


当然,他们不是在白纸上画画。


教师团队制定了总体规划,确定了技术路线,选择了基础平台,搭建了开发环境,选择了电影制作流程和班车。在五个学生真正开始之前,一个强大的教师团队准备让学生乘风破浪


因为芯片实际上分为前端和后端。前端主要设计成通过数字电路实现处理器的功能;在后端,这些设计由物理组件实现。


“说我们制造了所有的芯片是不准确的。事实上,我们只做了前端的逻辑设计部分。”王强调。


他试图用最流行的语言向《科技日报》代理解释设计芯片的感觉。——类似于绘制建筑施工图。然而,这幅画是用一种叫做凿子的硬件语言而不是线条来表现的。


此前,包云刚团队的一名博士生于子豪为南京大学开发了一款用于教学的RISC-V处理器。“一个生活中的一个核心”计划的学生应该在此基础上进行改进,将哥哥们建造的房子重建成一个更加舒适和明亮的地方。


鲍云刚说,在实际的产品研发和科学研究中,往往不是从零开始,而是在现有功能的基础上增加新的功能,提高性能。“这培养了学生‘理解-消化-创新’的能力。“每个人都采用了流行的“敏捷开发”模式:每个人负责一个或几个模块,携手并进,多线推进,然后紧密合作。“一个生命中的一个核心”计划的目标很明确:在芯片上运行Linu系统,支持基本的输入输出设备。


首先解决“不能”和“对”的问题,然后看“快”和“好”。


对于建筑设计新手来说,他们建造的第一栋房子必须保证直立。”如果墙放错了地方,或者墙本身的承重强度不够,整个建筑就会倒塌。”王对说道。


从2019年8月开始,设计正式设计,设计图纸在12月中旬交付。五人组踩在坑上,为别人挖坑,挣扎着爬出坑外;他们熬夜到很晚,犯了不知道该藏在哪里的错误,他们不得不与可能会延迟队友进步的焦虑作斗争。


团队成员金悦负责芯片系统。除了中央处理器,系统中还有五个控制器来实现特定的功能。”就像大脑需要控制它的四肢来使人体运动一样。”金姆说。


这些控制器的代码是由开源社区提供的,但是团队不确定这些控制器是否适合他们设计的芯片。金悦需要编写驱动软件来测试外围控制器是否设置正确,能否正常工作。


“如果有问题,会很麻烦的。我的软件有问题,还是外围控制器本身有问题?如果外围控制器有问题,哪一个是错误的?“变量太多,使得测试变得复杂。


“在验证的日子里,我几乎没怎么睡觉。”金悦在半夜看了看电脑,检查了手册,检查了代码,检查了波形。带着一点“我不相信邪恶”,“我必须把这东西弄出来。”“


导师团队可以为困惑的学生指出大致的方向,但是在这个方向会发生什么,是上山还是过河,取决于学生自己去尝试。


找出问题所在是一个“痛苦”的经历,几乎每个计划参与者都会提到。王华强说,这是一个“压葫芦捞葫芦”的过程。


作为队里唯一的女性,张琳娟负责这个项目。你走进图书馆,想找到一本书。离你最近的书架,你可以放最少的书;在更深的书架上,有更多的书,但是你要走很长时间。预取员就像知道你偏好的图书管理员。他把他认为你会拿的书提前放在最近的书架上,节省了你的搜索时间。


"当实现这个函数时,我想当然地认为预取器应该放在L1缓存中,它是一级缓存。“一级缓存相当于书架,离您更近,但容量较小。但是奇怪的是,在添加了预取器之后


她花了一个月的时间寻找问题,一个接一个地检查、修改和调试。后来,张林娟被提醒说,地方长官可能被安排在错误的位置。“嘿,它很倒塌。我以前写的东西是无用的,我必须重新开始。”将预取器移到L2缓存后,困扰她一个月的问题终于消失了。


没有人想到问题会在他们真正开始之前就在这里等着他们。


总之,学生们写道,作业就像一个被人直接采摘的果园,但是“一个生命中的一个核心”的计划是一片荒地和几棵幼苗,他们必须自己动手从种植到施肥,他们仍然不知道是否能结出果实。“我不知道为什么,从0种的水果似乎更甜。”他们说。


“我们只是知道了从山底到半山腰的路怎么走”


2019年12月,该芯片的设计版图正式提交,芯片是基于SMIC 110纳米工艺铸造的。


对于这五个学生来说,他们的工作暂时结束了。下一步重点是完成基于芯片的毕业设计。在


正式发布之前,团队已经在模拟器上反复测试过了。但是没有人能保证芯片会达到预期的功能。


在课堂或竞赛中,学生也需要从头开始完成芯片设计。然而,在课堂实践中,没有必要测试得太好,只要设计的芯片能通过老师给的几个测试点,它就会成功。在“一个生命中的一个核心”计划中没有这样预先设计的“测试点”。你必须全面和小心。


“即使你测试了这么多次,你也不能说这个系统一定没有错误(缺陷)。总有一些地方没有测试,总会有意想不到的问题。”张子非说道。毕竟,在之前的四个月的发展中,他们已经看到了各种奇怪的情况。


不可否认,压力更大。


以前的芯片设计更像是“纸上谈兵”。成功固然好,但失败也没关系。然而,这一次,如果我们把真正的钱投入到电影中,不管它是否可以使用,不管几个月的努力是否会付诸东流,我们都可以看到电影发行后的不同。


这是“一个生命中的一个核心”项目的第一阶段,每个人都希望有一个好的开始。等待这一天,他们既不安又兴奋。


2020年4月23日,学生们从微信上得知他们自己设计的处理器芯片已经回来了。


但这不是终点,需要测试和验证。


“从底层的印刷电路板布局、内存粒子到中间的处理器设计,再到上层的操作系统和应用软件,每一层都可能有问题。即使是一个小问题也会导致芯片无法正常工作。”包云刚说道。


这次测试经历也充满了曲折,甚至有点戏剧性。


chip回来后,团队中的老师测试了几个芯片。因此,芯片实际上是一块没有任何输出的“砖块”。一阵忙乱之后,他们发现主板上的电源线出了问题,芯片“但在他征服之前,他已经死了”被烧坏了。


后来,因为串口时钟频率设置的问题,芯片性能一直不正常。芯片花了很长时间才被调整到最佳状态。


6月2日,在毕业答辩现场,王华强展示了芯片的工作流程。之后,王将学生在国家科技大学操作系统课程中编写的UCAS-Core移植到COOSCA core上,完成了用自己的中央处理器运行自己编写的操作系统的“浪漫”之事。事实上,除了王华强,其他四名学生只是在暑假去深圳参与新项目后才看到他们设计的芯片。张子飞说:“当我第一次看到它的时候,我觉得这个芯片比我们想象的要小。它似乎还有点不成熟。”大家都笑了,他马上补充说:“但是妈妈不能太丑。”


国立科技大学的学生称他们的母校为“果壳”,因此果壳成为“一个生命中的一个核心”项目的第一个芯片的正式名称。9月3日,王华强将代表团队向全球同行介绍“果壳”的设计,这也将是“果壳”首次在国际舞台上亮相。


“国家科技大学学生核心文凭”一度成为互联网上的热门话题,但一些被奉为“大神”的学生并不打算把这个项目看得太高。


“我们现在正在观看英特尔芯片,就像我们刚开始上学时观看‘一生只有一个芯片’一样。毕竟,这些公司已经积累了几十年的经验,而我们现在才开始学习皮草,这是完全无与伦比的。”张林娟坦率地说道。金悦打了个比方:“现在,我们只知道从山脚走到山腰有多难,而不知道从山腰走到山顶有多难。”


正是因为爬山和爬坡,学生们才知道他们都是新兵,缺乏经验和能力,需要锻炼。


他们的平均年龄只有21.8岁。包云刚说,当他们30岁的时候,他们可以说是处理器芯片和计算机系统设计领域的“老手”。无论他们进入行业还是学术界,他们的创造力都将得到更大的发挥和展示。“我对这些年轻人的未来充满了期望。”


这个“一个生命中的一个核心”计划是针对未来的。国家科技大学计算机科学与技术学院院长、中国科学院计算技术研究所所长孙宁辉指出,该计划旨在帮助更多的大学开设从处理器芯片设计到流媒体和操作系统的实践课程,提高我国处理器芯片设计人才培养的规模,缩短从培养阶段到将人才投入科研和行业一线的时间。


据鲍云刚介绍,参加“一个生活,一个核心”二期工程的学生人数已经增加到13人,其中包括来自浙江大学、南京大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学(深圳)和密歇根州立大学的学生。


写人:本报×代理张盖伦策划:陈雷[编辑:田伯群:]