“一生一芯”：培養(yǎng)高端芯片設計人才

集成電路（又稱“芯片”）是當今信息時代的重要組成部分，同時也是我國第一大進口產(chǎn)品。海關總署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2023年集成電路的進口金額為3494億美元，遠超石油和鐵礦。同時，國產(chǎn)芯片在全球很多領域的市場占有率不足5%，很多關鍵核心技術被國外“卡脖子”，國家安全受到威脅。

造成上述問題的重要原因之一，是缺少芯片設計人才，尤其是高端芯片設計人才。這固然與過去多年中國芯片的產(chǎn)業(yè)環(huán)境有關，但也與國內高校的芯片人才培養(yǎng)方式密切相關。由于高端處理器芯片設計和生產(chǎn)成本不斷增加，相關技術難度不斷加大，目前只有極少數(shù)條件較好的大學和科研機構能夠從事這方面的研究。這導致相關人才數(shù)量非常有限，遠不能滿足國家對該領域高端人才的迫切需求。

為此，中國科學院大學計算機科學與技術學院超前布局，培養(yǎng)處理器芯片這一關鍵領域緊缺人才，聯(lián)合中國科學院計算技術研究所科研工程支撐團隊，于2019年8月啟動了“一生一芯”計劃。

    培養(yǎng)實踐型開放式大規(guī)模人才

為應對芯片人才培養(yǎng)中芯片設計門檻高、課程間關聯(lián)弱、實踐不足、學習坡度陡峭等挑戰(zhàn)，緩解我國芯片被“卡脖子”等形勢，“一生一芯”計劃實施了一種基于開源新賽道、貫通課程的實踐型開放式大規(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計處理器、集成有關開源項目以及使用有關開源工具，同時鼓勵學生反哺開源社區(qū)，形成良性循環(huán)。

設計貫通計算機科學專業(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，讓學生深入理解計算機系統(tǒng)如何通過處理器、指令集、運行時環(huán)境、操作系統(tǒng)和庫函數(shù)，支撐應用程序的運行。另一方面，培養(yǎng)處理器芯片全鏈條設計能力，讓學生理解從體系結構設計、開發(fā)，到集成驗證、綜合、物理設計，最終生成可流片版圖的全過程。

發(fā)揮科教融合優(yōu)勢。理論和實踐結合，將處理器芯片領域的前沿研究成果沉淀為教學內容，包括敏捷開發(fā)語言、敏捷測試方法和形式化驗證等，讓學生在設計處理器芯片的實踐過程中學會快速定位問題，并通過分析實測數(shù)據(jù)剖析處理器性能瓶頸，為迭代優(yōu)化打下基礎。

設置分階段培養(yǎng)模式。將學習流程分為預學習、基礎、進階和專家共4個階段。其中，預學習階段的引入，幫助基礎欠缺學生查漏補缺，使他們能夠更順利地過渡到后續(xù)階段，從而降低學習坡度。此外，每個階段以小游戲作為處理器芯片設計的測試目標，充分激發(fā)學生的學習興趣。

“一生一芯”計劃不限學校、年級、專業(yè)、基礎，只要學生對處理器芯片設計感興趣，都能免費報名參加，并資助完成學習計劃的在校生免費流片。該計劃通過開放式教育，打破教育資源壁壘，加速培養(yǎng)我國處理器芯片緊缺人才。 

    打造芯片領域人才生態(tài)圈

截至目前，“一生一芯”計劃已實施6期，在多個方面取得了一定成效。

在培養(yǎng)質量方面，該計劃對學生的科研、實習和后續(xù)課程學習等方面都有很大幫助。例如，華南理工大學的曾同學提到，“一生一芯”貫通式培養(yǎng)方案指導他建立了對處理器和計算機系統(tǒng)的整體認識，幫助他快速理解芯片科研項目組成關系，同時能借鑒“一生一芯”實踐經(jīng)驗快速解決問題。天津理工大學的祝同學、孫同學和曲同學在完成學習后進入某國產(chǎn)處理器芯片企業(yè)實習，工程師表示他們學到的知識技能與企業(yè)項目的需求高度契合。

近年來，還有很多高中生參加“一生一芯”計劃，并取得優(yōu)秀的學習成果。2023年，北京一零一中學共組織約40名學生參加學習，有3名學生成為“一生一芯”計劃僅有的3名高中生正式學員。其中，煙同學的學習進度已接近流片指標，能力和素質達到“雙一流”建設高校大四學生的水平。

中國科學院計算所牽頭的開源高性能處理器“香山”項目，是該領域在開源賽道上的前沿項目?！耙簧恍尽庇媱澫颉跋闵健眻F隊累計輸送18名人才，他們來自全國各地，完成學習后進入開源芯片項目，為攻關“卡脖子”領域作出重要貢獻。來自第一期計劃的5名學生，在本科畢業(yè)后加入“香山”團隊，已成為核心技術骨干和科研生力軍。

在人才培養(yǎng)出口方面，“一生一芯”計劃實現(xiàn)向“卡脖子”領域企業(yè)的人才輸送。完成學習并流片的應屆畢業(yè)生，一部分前往國內外知名高?；蚩蒲袡C構學習深造，開展芯片相關方向的研究工作，還有一部分進入領軍企業(yè)從事芯片方向的研發(fā)工作。

在組織流程方面，“一生一芯”計劃建立了大規(guī)模人才培養(yǎng)流程。計劃提出“讓學生指導學生”的指導方案，篩選一部分能力較好且學習熱情較高的學生擔任助教指導其他學生，成功解決了教師和工程師的數(shù)量無法隨培養(yǎng)規(guī)模線性增長的難題。隨著助教指導質量的提升，一名助教可指導更多學生學習。同時，通過分組學習機制充分調動線上助教的積極性，配合組會和答辯會等多種線上機制，加強與學生的交流和溝通。此外，該計劃還探索出寒暑期短期訓練營和長期訓練營兩種組織模式，以選拔人才和培養(yǎng)種子助教人選。

在社區(qū)建設方面，該計劃目前已建立7個相關興趣小組。小組主題分別為“高性能體系結構模擬器”“開源IP組件庫”“開源處理器核”“開源芯片數(shù)據(jù)集”“開源RTL仿真器”“國際交流和翻譯”和“學員成長追蹤”。其中，“國際交流和翻譯”小組參與了有關國際認證課程學習資料的漢化工作，學習資料已上線使用。同時，部分學生還參與了有關國際基金會虛擬內存工作組的研發(fā)和交流工作，推動有關標準規(guī)范的改進與完善。

在支撐技術方面，支撐團隊已完成可基本支持28納米流片的開源、有關工具和流程。開源子項目完成了數(shù)個慢速接口的開發(fā)；有關工具已完成邏輯綜合、物理設計、時序分析和功耗分析等工具的串鏈工作，并完成數(shù)顆測試芯片的流片，為有關開源工具進入“一生一芯”教學流程打下堅實的工程基礎。

    完善培養(yǎng)策略應對行業(yè)挑戰(zhàn)

在連續(xù)實施6期“一生一芯”計劃后，教學團隊也發(fā)現(xiàn)了若干待改進之處。一方面，隨著“香山”等前沿開源項目的發(fā)展，相關門檻也在逐漸提高，要求“一生一芯”項目組設計出過渡性質的教學方案，幫助學生在完成學習后順利過渡到真實的復雜項目中，包括高級體系結構知識、前沿科學論文的閱讀、來自工業(yè)界資深工程師的經(jīng)驗指導等，以及這些知識技能在項目實戰(zhàn)中的應用。另一方面，根據(jù)相關高校反饋，盡管高校希望更多學生能適應并完成“一生一芯”計劃的學習，但還需要在前期提供更為循序漸進的教學指導，幫助學生順利從以教師講授為中心的課堂教學，逐漸過渡到以學生動手實踐為中心的項目實戰(zhàn)。這要求“一生一芯”項目組對基礎階段的學習內容進行調整和重組，從而更好地與當前高校教學中的課程對接。

當前，“一生一芯”計劃已實現(xiàn)立足北京、輻射全國，探索出一套新的大規(guī)模芯片人才培養(yǎng)體系，助力解決我國芯片人才短缺問題。然而，該計劃還在不斷改進和完善之中，并期待能進一步向全國其他高校推廣，形成課內課外、線上線下混合的教學方法與計算機系統(tǒng)方向人才培養(yǎng)模式，大幅擴大我國處理器芯片設計人才的培養(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，助力解決我國在計算機芯片領域面臨的“卡脖子”問題。

（作者余子濠系中國科學院計算技術研究所工程師，解壁偉系中國科學院計算技術研究所助理研究員，包云崗系中國科學院計算技術研究所副所長、中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長）

《中國教育報》2024年04月08日第6版