做芯片，蘭大學(xué)生是認真的

skysun000001 2023-06-25 發(fā)布于山西

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來源：光明日報（記者王冰雅、宋喜群；通訊員法伊莎）

編輯整理：雙一流高教

做芯片，蘭州大學(xué)本科生是認真的！6月23日，光明日報報道了蘭州大學(xué)“一生一芯一系統(tǒng)”本科生團隊——

又是一個午夜，錯誤究竟出在哪兒？一遍遍檢查調(diào)試代碼，依然沒有發(fā)現(xiàn)問題所在，一籌莫展之際，蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2019級本科生陸釔樺向“戰(zhàn)友們”電話求助。待電話掛斷，陸釔樺長舒一口氣，時間已是凌晨三點。過去一年，這樣的場景不知上演了多少次。

一分耕耘一分收獲。近日，由蘭州大學(xué)“一生一芯一系統(tǒng)”本科生團隊自主研發(fā)設(shè)計的基于RISC-V指令集的嵌入式處理器已完成流片并回片，經(jīng)測試，該芯片功能正常，達到設(shè)計預(yù)期目標，可用于控制智能家電、醫(yī)療設(shè)備、汽車工業(yè)等場景。目前，該項目已在Gitee網(wǎng)站上開源，供全世界芯片設(shè)計愛好者參考。

“一生一芯一系統(tǒng)”項目第2期成員在研討中。蘭州大學(xué)黨委宣傳部供圖

時光回溯到2020年，蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授何安平了解到，部分高校在嘗試讓本科生做CPU（中央處理器）芯片研發(fā)工作?！爱?dāng)前培養(yǎng)計算機人才強調(diào)計算機系統(tǒng)能力，也就是說，既要培養(yǎng)同學(xué)們的軟件開發(fā)能力，也要加強同學(xué)們對硬件的理解。研發(fā)芯片就是認識硬件的有力抓手?！焙伟财秸f。

2021年6月，信息科學(xué)與工程學(xué)院啟動了“一生一芯一系統(tǒng)”研發(fā)項目。經(jīng)過同學(xué)們自主報名，第一期項目共吸納了計算機類專業(yè)、電子信息類專業(yè)和物理學(xué)院微電子專業(yè)的7名本科生。

對于沒有任何CPU芯片開發(fā)經(jīng)驗的本科生來說，確定研發(fā)目標是個大難題。何安平說：“一方面我們考慮了學(xué)生的實際情況，另一方面我們也希望把目標定高一點，讓學(xué)生踮起腳、伸長手臂才能夠得著?！?/span>

經(jīng)過廣泛閱讀國內(nèi)外優(yōu)秀論文案例，團隊決定從嵌入式CPU做起。嵌入式CPU設(shè)計相對簡單，也是目前使用最廣泛的中央處理器，全球每年的出貨量可達上百億顆。指令集架構(gòu)是CPU設(shè)計的核心，CPU各個模塊之間相互協(xié)作依賴共同的指令集。目前大部分指令集架構(gòu)，要么需要昂貴的授權(quán)費，要么不適用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，而RISC-V指令集具有低功耗、低成本、全面開源等特性。綜合考慮下，團隊選擇使用RISC-V指令集。

CPU核、總線和外設(shè)三部分構(gòu)成一個簡單的系統(tǒng)級芯片。CPU核是整個運算處理單元的核心，采用兩級流水單發(fā)射架構(gòu)，包括第一級流水模塊、第二級流水模塊、中斷異常模塊三部分?！斑@種兩級流水架構(gòu)相當(dāng)于工廠中的流水線，且兩級流水的電路能夠同時執(zhí)行不同的指令，有效提高了指令執(zhí)行的效率和電路的利用率。中斷異常處理模塊可以處理異常情況和中斷請求，根據(jù)中斷源和異常源執(zhí)行相應(yīng)的程序?！标戓悩褰榻B，總線上掛載了4個外設(shè)，數(shù)據(jù)通過總線在CPU核和外設(shè)之間進行傳輸。

項目組對芯片進行性能測試。蘭州大學(xué)黨委宣傳部供圖

芯片系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計階段結(jié)束后，團隊迅速進入編碼階段。隊員們利用課余時間定期溝通，遇到問題及時協(xié)調(diào)解決?！斑^程很難，攻克之后就很了不起?！北M管編碼調(diào)試階段遇到了重重困難，但是隊員們總是相互鼓勵，從不輕言放棄?！袄哿宋覀兙鸵黄鸪鋈コ灶D飯，或者爬爬萃英山，回來之后繼續(xù)攻關(guān)?！?018級信息科學(xué)與工程學(xué)院本科生張靈壯笑著回憶。

在芯片臨近流片之際，為了保證芯片質(zhì)量，隊員們夜以繼日地泡在實驗室里反復(fù)驗證測試。“白天做不完就熬夜做，大家自愿留在實驗室通宵。當(dāng)時什么也顧不得，只想著一定要做到最好，不能讓之前的努力付諸東流。”2019級信息科學(xué)與工程學(xué)院本科生李勛說。

部分成功流片的芯片。蘭州大學(xué)黨委宣傳部供圖

這支本科生團隊從零開始，經(jīng)過一年時間，一步步完成了芯片設(shè)計全流程工作?！靶酒畲蟮耐黄圃谟诓捎昧送惒交旌想娐?。CPU核運用同步電路設(shè)計，使用統(tǒng)一的時鐘驅(qū)動，這也是目前較為主流的設(shè)計方式；總線采用全異步電路，設(shè)計起來比同步電路更加復(fù)雜，具有低功耗、高功效的特點?！焙伟财秸f。2022年7月，芯片順利送往代工廠進行流片。

“很多同學(xué)認為CPU芯片研發(fā)是極難的工作，事實證明本科生完全有能力完成。'一生一芯一系統(tǒng)’第一期項目的成功，改變了同學(xué)們重軟件、輕硬件的觀念，提升了大家的計算機系統(tǒng)能力。設(shè)計制造中國芯片離不開人才，芯片制造者既是基礎(chǔ)理論扎實的科學(xué)家，也是技藝精湛、精通編程的工程師，這些人才需要從本科階段開始培養(yǎng)?！碧m州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院黨委書記陳文波說，之后的項目將逐漸加大難度，讓學(xué)院所有同學(xué)參與其中。

經(jīng)過半年的等待，蘭州大學(xué)本科生研發(fā)的嵌入式芯片成功流片，被命名為“蘭州大學(xué)RISC-V處理器1號”。陸釔樺小心翼翼地將4.4平方毫米大小的芯片捧在手心，那一刻，感到所有辛苦都得到了回報。