讓芯片人才破“殼”而出
■走在教育強國大路上聚焦人才自主培養(yǎng)
一粒砂石,必須經(jīng)過最嚴格加工,才能淬煉為一枚芯片。
提純,砂子在1200攝氏度的高溫里進行眼花繚亂的化學反應;切割,閃現(xiàn)寒光的金剛石鋸將單晶硅棒切為0.5毫米的薄片;光刻,光源以每秒數(shù)萬次的頻率在納米尺度上搭建晶體管組成的宏大“城市”。
一名學生,必須經(jīng)過最嚴格的訓練,才能成長為合格的芯片設計工程師。
課程,講授基本理論和方法;設計,集齊各種軟硬件供學生取用;工廠,拿出寶貴產(chǎn)能將設計方案變?yōu)檎嬲男酒?/p>
2019年8月,中國科學院大學啟動“一生一芯”計劃,依托以“科教融合”為特色的計算機系統(tǒng)領域教育、科研及人才“三位一體”培養(yǎng)體系,鑿通教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈,培養(yǎng)面向未來自主可控的信息技術體系的領軍人才。4年來,完整執(zhí)行學習計劃的學生,從“小白”成長為可以設計、制造芯片的人才,與變成芯片的砂石一起破“殼”而出。
“帶著自己設計的芯片畢業(yè)”
“華為在國內(nèi)找不到處理器芯片設計人才的情況,是意料之中的?!?019年,得知華為遭受制裁,中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長、中國科學院計算技術研究所副所長包云崗如是感慨。
華為的困局與國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)、教育環(huán)境密切相關。“當時,國內(nèi)開展處理器芯片設計相關教學與研究的大學不多,學生學、用落差巨大。處理器芯片從設計到制造的產(chǎn)業(yè)鏈條漫長,涉及軟硬件協(xié)調(diào)、多學科交叉,高校日常教學往往只涉及個別環(huán)節(jié),很多學生直到畢業(yè)都以為做芯片就是寫代碼。”包云崗說。
一連串短板效應的傳遞,最后就是中國優(yōu)秀處理器芯片人才儲備嚴重不足。內(nèi)外嚴峻形勢下,面向未來科技和產(chǎn)業(yè)布局,必須大幅提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和效率。
秉承“科研為國分憂、創(chuàng)新與民造?!钡睦砟睿霸O計一種新的教學體系,降低芯片設計門檻,讓學生能設計自己的芯片并成功流片”的思路,在中國科學院大學和中國科學院計算技術研究所的大力支持下,由孫凝暉院士部署,包云崗團隊牽頭設計并組織實施了“一生一芯”計劃。
“計劃的目標非常明確,即突破傳統(tǒng)課程的邊界,構建一套軟硬件協(xié)同、打通前后端全鏈條的處理器芯片教學流程,提高我國處理器芯片設計人才培養(yǎng)質(zhì)量,縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的周期,培養(yǎng)更多緊缺的芯片人才?!卑茘徴f。
“一生一芯”計劃于2019年8月啟動。首批參與的學生,是5名本科生。包云崗明確告訴他們,這是一個嶄新的教學計劃,會耗費參與者大量時間和精力,前路未知,“你們是否愿意當小白鼠?”
5人無一拒絕。
事實證明,5名本科生和教學團隊一起蹚出了一條路。在“引導學生找思路,而非幫學生解決Bug”的教學思路下,當年12月,經(jīng)過4個月高強度的開發(fā)工作,學生的處理器芯片設計版圖正式提交廠家。次年4月,芯片成品返回,測試結(jié)果基本正常。通過技術答辯后,5名本科生實現(xiàn)了“帶著自己設計的處理器芯片畢業(yè)”的目標。
“一生一芯”計劃,走得通!
迄今,“一生一芯”計劃已歷6期,規(guī)模逐步放大。為了應對大規(guī)模芯片人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn),教師解壁偉提出“讓學生指導學生”,在學習的學生中遴選助教,指導新報名的學生學習。為了集聚更多有志于芯片設計的各高校學生,在助教團隊的支撐下,通過舉辦暑期班、送課上門等方式,“一生一芯”計劃已在中國科學院大學實踐經(jīng)驗的基礎上向全國輻射,覆蓋高校從1所擴大到300余所,報名人數(shù)從首期的5人到第6期的2000余人,6期累計報名已超6000人。不僅高校,華為、長城汽車等企業(yè)也送相關技術人員參與課程學習,“一生一芯”計劃逐漸成為全國芯片設計人才培養(yǎng)的大平臺。
成功秘訣是“開源、共享”
“一生一芯”計劃何以取得初步成功?
“開源、共享。”沒有遲疑,包云崗給出答案。
包云崗多次提到計劃“覆蓋高校從1所擴大到300余所”這一事實,“從一開始,我們團隊就希望能將這門課程向全國高校的學生開放”。
團隊的愿景,基于國內(nèi)相關專業(yè)教學的困境。
放眼全國高校,依據(jù)傳統(tǒng)教材進行條塊分割、遠離產(chǎn)業(yè)的教學,依然是常態(tài)。希望快速地大規(guī)模進行教學迭代,并非易事,多數(shù)高校也并不具備打通課堂、產(chǎn)業(yè)鏈條的能力。比如,學生設計的芯片拿去流片,必須借助芯片制造廠商的力量。背靠中國科學院大學和中國科學院計算技術研究所的平臺,團隊教師只花了幾天就談好合作,但這對一些專業(yè)背景相對缺乏的地方院校來說,卻很難做到。
在工廠產(chǎn)線流片,資金也是問題。“我們學校有配套政策提供資金,鼓勵教師團隊開展創(chuàng)新嘗試?!敝袊茖W院大學黨委常務副書記、副校長王艷芬說。在中國科學院大學和其他支撐單位的支持下,團隊順利開展流片工作。再加上一些企業(yè)提供的經(jīng)費支持,團隊順利和相關廠商達成意向。
“我們有這么好的條件,是不是應該站出來做一些事情?”團隊成員心中充滿執(zhí)念。
因為“開源、共享”,教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈的能量得以匯聚;也因為“開源、共享”,“一生一芯”成為面向全國學生無償開放的教學計劃。
“經(jīng)過主講老師余子濠的努力,我們積累了26萬字的講義、超過40小時的教學視頻,不限高校、專業(yè)和年級,提供給所有感興趣的學生?!卑茘徴f。
余子濠時常到各地高校宣講“一生一芯”計劃。令他欣慰的是看到很多非“雙一流”建設高校學生眼中的光芒,“他們平時不容易接觸到這些學習資源,但對計算機和芯片充滿熱愛。我們提供的課程,讓他們有了施展才華的平臺”。
在2023年8月結(jié)束的第七屆全國大學生計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽(龍芯杯)上,來自地方院校的“一生一芯”計劃學員王晨宇斬獲個人賽總決賽一等獎?!啊簧恍尽瘜ξ业挠绊懯侨轿坏?,它讓我接觸到之前難以想象的資源,助我全方位成長?!蓖醭坑钫f。
助教對學生的指導也是一種“共享”。“能把自己所學的知識經(jīng)驗分享給其他同學,引導他們在自己思考的基礎上不斷深入探索并提出新想法,是一件非常有成就感的事情?!奔仁堑?期學員也是第6期助教的繆宇飏說。
“一生一芯”作為一個實踐型的人才培養(yǎng)計劃,技術支撐是學生開展學習的關鍵。第3期學員陳璐在學習過程中為項目移植了若干系統(tǒng)軟件,“看到現(xiàn)在的同學還在使用我兩年前移植的代碼,心里充滿了成就感?!彼f。
隨著越來越多來自全國各高校的學生參與到“一生一芯”計劃中,團隊也收到了更多來自學生提交的代碼補丁和其他反饋。學生在“一生一芯”計劃中獲得成長,然后反哺“一生一芯”計劃,這也充分體現(xiàn)“一生一芯”計劃“開源、共享”的屬性。
在包云崗看來,“一生一芯”計劃在一定程度上打破了計算機專業(yè)教育資源不平衡的壁壘。“中國有上千所普通地方院校,其實每所高校都有一些很有潛力的芯片人才?!卑茘徴f,“如果能全部發(fā)揮他們的天賦,對中國處理器芯片的人才儲備來說,意義重大?!?/p>
“學生表現(xiàn)出的戰(zhàn)斗力是驚人的”
“一生一芯”計劃瞄準的處理器芯片,其設計基于開源指令集。
這是包云崗團隊的有意選擇。他們希望,這是一步具有戰(zhàn)略意義的“先手棋”。
指令集是計算機軟硬件生態(tài)運行的邏輯基礎。兩家國際計算機巨頭公司的指令集手冊分別有5000頁和2700頁之巨。龐大繁雜的手冊,是數(shù)以萬計的工程師數(shù)十年的智慧結(jié)晶,是當代社會生產(chǎn)生活運行的基石。
然而,是基石,也是圍墻。
“你能想象,全世界所有的螺釘螺母,需要一家公司來授權生產(chǎn)規(guī)格嗎?”包云崗說,“這么荒謬的事,卻發(fā)生在計算機領域。”
巨頭是指令集的創(chuàng)造者,也是壟斷者。包括處理器芯片在內(nèi),外界基于指令集研發(fā)軟硬件,必須支付高昂的專利費用?!伴_源、共享”被視為計算機時代的圭臬,它卻建立在封閉之上。
和包云崗一樣,近年來,國際上學界、業(yè)界無法忍受現(xiàn)狀的聲音越來越多。一種新的開源指令集RISC-V應運而生,這相當于由各方協(xié)商制定出行業(yè)標準,然后各企業(yè)依據(jù)標準生產(chǎn)產(chǎn)品。
這或?qū)⒊蔀橄乱淮幚砥餍酒难邪l(fā)方向。各主要國家均已開展相關研究和產(chǎn)業(yè)布局。
從這個角度說,“一生一芯”計劃培養(yǎng)的學生,將在未來的變革浪潮中大顯身手。
包云崗對此很有信心?!耙簧恍尽庇媱澥着?名本科生,全部加入中國自主研發(fā)的開源高性能RISC-V處理器“香山”的研發(fā)團隊,并成為技術骨干。
后續(xù)幾期成功流片的學生,其深造和就業(yè)去向也令人鼓舞?!皩W生表現(xiàn)出來的戰(zhàn)斗力是驚人的。等到他們30歲時,就可以說已經(jīng)是處理器芯片和計算機系統(tǒng)設計領域的‘老兵’了?!卑茘徴f。
時間回到2019年8月?!耙簧恍尽庇媱潌拥哪翘?,正是北京悶熱的夏日。大家齊聚包云崗的辦公室,有人穿著短褲,有人趿著拖鞋。在十分不嚴肅的氛圍中,他們開始了一項嚴肅的探索。
此后的時光里,6期計劃陸續(xù)執(zhí)行。4年來,共計600余名學生通過“一生一芯”計劃不同階段的能力考核學習完全部課程,100余名學生成功流片。其間,他們經(jīng)歷了自我懷疑與否定,在黑夜里苦苦探索問題的解決方案。在山重水復疑無路的痛苦中,他們于不知不覺間,輕舟已過萬重山。
包云崗手機里珍藏著一段視頻,那是學生拿到自己設計的芯片后進行測試的畫面。每名學生都記錄下芯片“點亮”的瞬間,顯示器上,出現(xiàn)最多的畫面是“一生一芯”的標志,和顯眼的“謝謝”。
作者:本報記者 張晨 高毅哲
《中國教育報》2024年04月10日第1版
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