“一生一芯”：培養(yǎng)高端芯片設(shè)計(jì)人才

集成電路（又稱“芯片”）是當(dāng)今信息時(shí)代的重要組成部分，同時(shí)也是我國(guó)第一大進(jìn)口產(chǎn)品。海關(guān)總署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2023年集成電路的進(jìn)口金額為3494億美元，遠(yuǎn)超石油和鐵礦。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)芯片在全球很多領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率不足5%，很多關(guān)鍵核心技術(shù)被國(guó)外“卡脖子”，國(guó)家安全受到威脅。

造成上述問題的重要原因之一，是缺少芯片設(shè)計(jì)人才，尤其是高端芯片設(shè)計(jì)人才。這固然與過去多年中國(guó)芯片的產(chǎn)業(yè)環(huán)境有關(guān)，但也與國(guó)內(nèi)高校的芯片人才培養(yǎng)方式密切相關(guān)。由于高端處理器芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本不斷增加，相關(guān)技術(shù)難度不斷加大，目前只有極少數(shù)條件較好的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)能夠從事這方面的研究。這導(dǎo)致相關(guān)人才數(shù)量非常有限，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域高端人才的迫切需求。

為此，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院超前布局，培養(yǎng)處理器芯片這一關(guān)鍵領(lǐng)域緊缺人才，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所科研工程支撐團(tuán)隊(duì)，于2019年8月啟動(dòng)了“一生一芯”計(jì)劃。

    培養(yǎng)實(shí)踐型開放式大規(guī)模人才

為應(yīng)對(duì)芯片人才培養(yǎng)中芯片設(shè)計(jì)門檻高、課程間關(guān)聯(lián)弱、實(shí)踐不足、學(xué)習(xí)坡度陡峭等挑戰(zhàn)，緩解我國(guó)芯片被“卡脖子”等形勢(shì)，“一生一芯”計(jì)劃實(shí)施了一種基于開源新賽道、貫通課程的實(shí)踐型開放式大規(guī)模人才培養(yǎng)模式。

選擇新的開源賽道。通過開源方式降低芯片人才培養(yǎng)門檻，具體包括基于開源指令集設(shè)計(jì)處理器、集成有關(guān)開源項(xiàng)目以及使用有關(guān)開源工具，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生反哺開源社區(qū)，形成良性循環(huán)。

設(shè)計(jì)貫通計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)與電子信息工程專業(yè)課程的培養(yǎng)方案。一方面，打通軟件和硬件，讓學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何通過處理器、指令集、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、操作系統(tǒng)和庫(kù)函數(shù)，支撐應(yīng)用程序的運(yùn)行。另一方面，培養(yǎng)處理器芯片全鏈條設(shè)計(jì)能力，讓學(xué)生理解從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)，到集成驗(yàn)證、綜合、物理設(shè)計(jì)，最終生成可流片版圖的全過程。

發(fā)揮科教融合優(yōu)勢(shì)。理論和實(shí)踐結(jié)合，將處理器芯片領(lǐng)域的前沿研究成果沉淀為教學(xué)內(nèi)容，包括敏捷開發(fā)語(yǔ)言、敏捷測(cè)試方法和形式化驗(yàn)證等，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)處理器芯片的實(shí)踐過程中學(xué)會(huì)快速定位問題，并通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)剖析處理器性能瓶頸，為迭代優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

設(shè)置分階段培養(yǎng)模式。將學(xué)習(xí)流程分為預(yù)學(xué)習(xí)、基礎(chǔ)、進(jìn)階和專家共4個(gè)階段。其中，預(yù)學(xué)習(xí)階段的引入，幫助基礎(chǔ)欠缺學(xué)生查漏補(bǔ)缺，使他們能夠更順利地過渡到后續(xù)階段，從而降低學(xué)習(xí)坡度。此外，每個(gè)階段以小游戲作為處理器芯片設(shè)計(jì)的測(cè)試目標(biāo)，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

“一生一芯”計(jì)劃不限學(xué)校、年級(jí)、專業(yè)、基礎(chǔ)，只要學(xué)生對(duì)處理器芯片設(shè)計(jì)感興趣，都能免費(fèi)報(bào)名參加，并資助完成學(xué)習(xí)計(jì)劃的在校生免費(fèi)流片。該計(jì)劃通過開放式教育，打破教育資源壁壘，加速培養(yǎng)我國(guó)處理器芯片緊缺人才。 

    打造芯片領(lǐng)域人才生態(tài)圈

截至目前，“一生一芯”計(jì)劃已實(shí)施6期，在多個(gè)方面取得了一定成效。

在培養(yǎng)質(zhì)量方面，該計(jì)劃對(duì)學(xué)生的科研、實(shí)習(xí)和后續(xù)課程學(xué)習(xí)等方面都有很大幫助。例如，華南理工大學(xué)的曾同學(xué)提到，“一生一芯”貫通式培養(yǎng)方案指導(dǎo)他建立了對(duì)處理器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)，幫助他快速理解芯片科研項(xiàng)目組成關(guān)系，同時(shí)能借鑒“一生一芯”實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)快速解決問題。天津理工大學(xué)的祝同學(xué)、孫同學(xué)和曲同學(xué)在完成學(xué)習(xí)后進(jìn)入某國(guó)產(chǎn)處理器芯片企業(yè)實(shí)習(xí)，工程師表示他們學(xué)到的知識(shí)技能與企業(yè)項(xiàng)目的需求高度契合。

近年來(lái)，還有很多高中生參加“一生一芯”計(jì)劃，并取得優(yōu)秀的學(xué)習(xí)成果。2023年，北京一零一中學(xué)共組織約40名學(xué)生參加學(xué)習(xí)，有3名學(xué)生成為“一生一芯”計(jì)劃僅有的3名高中生正式學(xué)員。其中，煙同學(xué)的學(xué)習(xí)進(jìn)度已接近流片指標(biāo)，能力和素質(zhì)達(dá)到“雙一流”建設(shè)高校大四學(xué)生的水平。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所牽頭的開源高性能處理器“香山”項(xiàng)目，是該領(lǐng)域在開源賽道上的前沿項(xiàng)目。“一生一芯”計(jì)劃向“香山”團(tuán)隊(duì)累計(jì)輸送18名人才，他們來(lái)自全國(guó)各地，完成學(xué)習(xí)后進(jìn)入開源芯片項(xiàng)目，為攻關(guān)“卡脖子”領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。來(lái)自第一期計(jì)劃的5名學(xué)生，在本科畢業(yè)后加入“香山”團(tuán)隊(duì)，已成為核心技術(shù)骨干和科研生力軍。

在人才培養(yǎng)出口方面，“一生一芯”計(jì)劃實(shí)現(xiàn)向“卡脖子”領(lǐng)域企業(yè)的人才輸送。完成學(xué)習(xí)并流片的應(yīng)屆畢業(yè)生，一部分前往國(guó)內(nèi)外知名高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)深造，開展芯片相關(guān)方向的研究工作，還有一部分進(jìn)入領(lǐng)軍企業(yè)從事芯片方向的研發(fā)工作。

在組織流程方面，“一生一芯”計(jì)劃建立了大規(guī)模人才培養(yǎng)流程。計(jì)劃提出“讓學(xué)生指導(dǎo)學(xué)生”的指導(dǎo)方案，篩選一部分能力較好且學(xué)習(xí)熱情較高的學(xué)生擔(dān)任助教指導(dǎo)其他學(xué)生，成功解決了教師和工程師的數(shù)量無(wú)法隨培養(yǎng)規(guī)模線性增長(zhǎng)的難題。隨著助教指導(dǎo)質(zhì)量的提升，一名助教可指導(dǎo)更多學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí)，通過分組學(xué)習(xí)機(jī)制充分調(diào)動(dòng)線上助教的積極性，配合組會(huì)和答辯會(huì)等多種線上機(jī)制，加強(qiáng)與學(xué)生的交流和溝通。此外，該計(jì)劃還探索出寒暑期短期訓(xùn)練營(yíng)和長(zhǎng)期訓(xùn)練營(yíng)兩種組織模式，以選拔人才和培養(yǎng)種子助教人選。

在社區(qū)建設(shè)方面，該計(jì)劃目前已建立7個(gè)相關(guān)興趣小組。小組主題分別為“高性能體系結(jié)構(gòu)模擬器”“開源IP組件庫(kù)”“開源處理器核”“開源芯片數(shù)據(jù)集”“開源RTL仿真器”“國(guó)際交流和翻譯”和“學(xué)員成長(zhǎng)追蹤”。其中，“國(guó)際交流和翻譯”小組參與了有關(guān)國(guó)際認(rèn)證課程學(xué)習(xí)資料的漢化工作，學(xué)習(xí)資料已上線使用。同時(shí)，部分學(xué)生還參與了有關(guān)國(guó)際基金會(huì)虛擬內(nèi)存工作組的研發(fā)和交流工作，推動(dòng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的改進(jìn)與完善。

在支撐技術(shù)方面，支撐團(tuán)隊(duì)已完成可基本支持28納米流片的開源、有關(guān)工具和流程。開源子項(xiàng)目完成了數(shù)個(gè)慢速接口的開發(fā)；有關(guān)工具已完成邏輯綜合、物理設(shè)計(jì)、時(shí)序分析和功耗分析等工具的串鏈工作，并完成數(shù)顆測(cè)試芯片的流片，為有關(guān)開源工具進(jìn)入“一生一芯”教學(xué)流程打下堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)。

    完善培養(yǎng)策略應(yīng)對(duì)行業(yè)挑戰(zhàn)

在連續(xù)實(shí)施6期“一生一芯”計(jì)劃后，教學(xué)團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了若干待改進(jìn)之處。一方面，隨著“香山”等前沿開源項(xiàng)目的發(fā)展，相關(guān)門檻也在逐漸提高，要求“一生一芯”項(xiàng)目組設(shè)計(jì)出過渡性質(zhì)的教學(xué)方案，幫助學(xué)生在完成學(xué)習(xí)后順利過渡到真實(shí)的復(fù)雜項(xiàng)目中，包括高級(jí)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)、前沿科學(xué)論文的閱讀、來(lái)自工業(yè)界資深工程師的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)等，以及這些知識(shí)技能在項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用。另一方面，根據(jù)相關(guān)高校反饋，盡管高校希望更多學(xué)生能適應(yīng)并完成“一生一芯”計(jì)劃的學(xué)習(xí)，但還需要在前期提供更為循序漸進(jìn)的教學(xué)指導(dǎo)，幫助學(xué)生順利從以教師講授為中心的課堂教學(xué)，逐漸過渡到以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為中心的項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)。這要求“一生一芯”項(xiàng)目組對(duì)基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和重組，從而更好地與當(dāng)前高校教學(xué)中的課程對(duì)接。

當(dāng)前，“一生一芯”計(jì)劃已實(shí)現(xiàn)立足北京、輻射全國(guó)，探索出一套新的大規(guī)模芯片人才培養(yǎng)體系，助力解決我國(guó)芯片人才短缺問題。然而，該計(jì)劃還在不斷改進(jìn)和完善之中，并期待能進(jìn)一步向全國(guó)其他高校推廣，形成課內(nèi)課外、線上線下混合的教學(xué)方法與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向人才培養(yǎng)模式，大幅擴(kuò)大我國(guó)處理器芯片設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)規(guī)模，縮短人才從培養(yǎng)階段到投入科研和產(chǎn)業(yè)一線的周期，助力解決我國(guó)在計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題。

（作者余子濠系中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所工程師，解壁偉系中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所助理研究員，包云崗系中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)）

《中國(guó)教育報(bào)》2024年04月08日第6版