■走在教育強國大路上聚焦人才自主培養

　　一粒砂石，必須經(jīng)過(guò)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(jìn)行眼花繚亂的化學(xué)反應；切割，閃現寒光的金剛石鋸將單晶硅棒切為0.5毫米的薄片；光刻，光源以每秒數萬(wàn)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(xué)生，必須經(jīng)過(guò)最嚴格的訓練，才能成長(cháng)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(xué)生取用；工廠(chǎng)，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(xué)院大學(xué)啟動(dòng)“一生一芯”計劃，依托以“科教融合”為特色的計算機系統領(lǐng)域教育、科研及人才“三位一體”培養體系，鑿通教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈，培養面向未來(lái)自主可控的信息技術(shù)體系的領(lǐng)軍人才。4年來(lái)，完整執行學(xué)習計劃的學(xué)生，從“小白”成長(cháng)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(zhù)自己設計的芯片畢業(yè)”

　　“華為在國內找不到處理器芯片設計人才的情況，是意料之中的。”2019年，得知華為遭受制裁，中國科學(xué)院大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(cháng)、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所副所長(cháng)包云崗如是感慨。

　　華為的困局與國內芯片產(chǎn)業(yè)、教育環(huán)境密切相關(guān)。“當時(shí)，國內開(kāi)展處理器芯片設計相關(guān)教學(xué)與研究的大學(xué)不多，學(xué)生學(xué)、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(cháng)，涉及軟硬件協(xié)調、多學(xué)科交叉，高校日常教學(xué)往往只涉及個(gè)別環(huán)節，很多學(xué)生直到畢業(yè)都以為做芯片就是寫(xiě)代碼。”包云崗說(shuō)。

　　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。內外嚴峻形勢下，面向未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)布局，必須大幅提高人才培養質(zhì)量和效率。

　　秉承“科研為國分憂(yōu)、創(chuàng )新與民造福”的理念，循著(zhù)“設計一種新的教學(xué)體系，降低芯片設計門(mén)檻，讓學(xué)生能設計自己的芯片并成功流片”的思路，在中國科學(xué)院大學(xué)和中國科學(xué)院計算技術(shù)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(shí)施了“一生一芯”計劃。

　　“計劃的目標非常明確，即突破傳統課程的邊界，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(xué)流程，提高我國處理器芯片設計人才培養質(zhì)量，縮短人才從培養階段到投入科研與產(chǎn)業(yè)一線(xiàn)的周期，培養更多緊缺的芯片人才。”包云崗說(shuō)。

　　“一生一芯”計劃于2019年8月啟動(dòng)。首批參與的學(xué)生，是5名本科生。包云崗明確告訴他們，這是一個(gè)嶄新的教學(xué)計劃，會(huì )耗費參與者大量時(shí)間和精力，前路未知，“你們是否愿意當小白鼠？”

　　5人無(wú)一拒絕。

　　事實(shí)證明，5名本科生和教學(xué)團隊一起蹚出了一條路。在“引導學(xué)生找思路，而非幫學(xué)生解決Bug”的教學(xué)思路下，當年12月，經(jīng)過(guò)4個(gè)月高強度的開(kāi)發(fā)工作，學(xué)生的處理器芯片設計版圖正式提交廠(chǎng)家。次年4月，芯片成品返回，測試結果基本正常。通過(guò)技術(shù)答辯后，5名本科生實(shí)現了“帶著(zhù)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，規模逐步放大。為了應對大規模芯片人才培養的挑戰，教師解壁偉提出“讓學(xué)生指導學(xué)生”，在學(xué)習的學(xué)生中遴選助教，指導新報名的學(xué)生學(xué)習。為了集聚更多有志于芯片設計的各高校學(xué)生，在助教團隊的支撐下，通過(guò)舉辦暑期班、送課上門(mén)等方式，“一生一芯”計劃已在中國科學(xué)院大學(xué)實(shí)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(cháng)城汽車(chē)等企業(yè)也送相關(guān)技術(shù)人員參與課程學(xué)習，“一生一芯”計劃逐漸成為全國芯片設計人才培養的大平臺。

　　成功秘訣是“開(kāi)源、共享”

　　“一生一芯”計劃何以取得初步成功？

　　“開(kāi)源、共享。”沒(méi)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(shí)，“從一開(kāi)始，我們團隊就希望能將這門(mén)課程向全國高校的學(xué)生開(kāi)放”。

　　團隊的愿景，基于國內相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的困境。

　　放眼全國高校，依據傳統教材進(jìn)行條塊分割、遠離產(chǎn)業(yè)的教學(xué)，依然是常態(tài)。希望快速地大規模進(jìn)行教學(xué)迭代，并非易事，多數高校也并不具備打通課堂、產(chǎn)業(yè)鏈條的能力。比如，學(xué)生設計的芯片拿去流片，必須借助芯片制造廠(chǎng)商的力量。背靠中國科學(xué)院大學(xué)和中國科學(xué)院計算技術(shù)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(zhuān)業(yè)背景相對缺乏的地方院校來(lái)說(shuō)，卻很難做到。

　　在工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)流片，資金也是問(wèn)題。“我們學(xué)校有配套政策提供資金，鼓勵教師團隊開(kāi)展創(chuàng )新嘗試。”中國科學(xué)院大學(xué)黨委常務(wù)副書(shū)記、副校長(cháng)王艷芬說(shuō)。在中國科學(xué)院大學(xué)和其他支撐單位的支持下，團隊順利開(kāi)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(guān)廠(chǎng)商達成意向。

　　“我們有這么好的條件，是不是應該站出來(lái)做一些事情？”團隊成員心中充滿(mǎn)執念。

　　因為“開(kāi)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(kāi)源、共享”，“一生一芯”成為面向全國學(xué)生無(wú)償開(kāi)放的教學(xué)計劃。

　　“經(jīng)過(guò)主講老師余子濠的努力，我們積累了26萬(wàn)字的講義、超過(guò)40小時(shí)的教學(xué)視頻，不限高校、專(zhuān)業(yè)和年級，提供給所有感興趣的學(xué)生。”包云崗說(shuō)。

　　余子濠時(shí)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(xué)生眼中的光芒，“他們平時(shí)不容易接觸到這些學(xué)習資源，但對計算機和芯片充滿(mǎn)熱愛(ài)。我們提供的課程，讓他們有了施展才華的平臺”。

　　在2023年8月結束的第七屆全國大學(xué)生計算機系統能力培養大賽（龍芯杯）上，來(lái)自地方院校的“一生一芯”計劃學(xué)員王晨宇斬獲個(gè)人賽總決賽一等獎。“‘一生一芯’對我的影響是全方位的，它讓我接觸到之前難以想象的資源，助我全方位成長(cháng)。”王晨宇說(shuō)。

　　助教對學(xué)生的指導也是一種“共享”。“能把自己所學(xué)的知識經(jīng)驗分享給其他同學(xué)，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。”既是第6期學(xué)員也是第6期助教的繆宇飏說(shuō)。

　　“一生一芯”作為一個(gè)實(shí)踐型的人才培養計劃，技術(shù)支撐是學(xué)生開(kāi)展學(xué)習的關(guān)鍵。第3期學(xué)員陳璐在學(xué)習過(guò)程中為項目移植了若干系統軟件，“看到現在的同學(xué)還在使用我兩年前移植的代碼，心里充滿(mǎn)了成就感。”她說(shuō)。

　　隨著(zhù)越來(lái)越多來(lái)自全國各高校的學(xué)生參與到“一生一芯”計劃中，團隊也收到了更多來(lái)自學(xué)生提交的代碼補丁和其他反饋。學(xué)生在“一生一芯”計劃中獲得成長(cháng)，然后反哺“一生一芯”計劃，這也充分體現“一生一芯”計劃“開(kāi)源、共享”的屬性。

　　在包云崗看來(lái)，“一生一芯”計劃在一定程度上打破了計算機專(zhuān)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(shí)每所高校都有一些很有潛力的芯片人才。”包云崗說(shuō)，“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(lái)說(shuō)，意義重大。”

　　“學(xué)生表現出的戰斗力是驚人的”

　　“一生一芯”計劃瞄準的處理器芯片，其設計基于開(kāi)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(yè)和2700頁(yè)之巨。龐大繁雜的手冊，是數以萬(wàn)計的工程師數十年的智慧結晶，是當代社會(huì )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(lái)授權生產(chǎn)規格嗎？”包云崗說(shuō)，“這么荒謬的事，卻發(fā)生在計算機領(lǐng)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，外界基于指令集研發(fā)軟硬件，必須支付高昂的專(zhuān)利費用。“開(kāi)源、共享”被視為計算機時(shí)代的圭臬，它卻建立在封閉之上。

　　和包云崗一樣，近年來(lái)，國際上學(xué)界、業(yè)界無(wú)法忍受現狀的聲音越來(lái)越多。一種新的開(kāi)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)依據標準生產(chǎn)產(chǎn)品。

　　這或將成為下一代處理器芯片的研發(fā)方向。各主要國家均已開(kāi)展相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)布局。

　　從這個(gè)角度說(shuō)，“一生一芯”計劃培養的學(xué)生，將在未來(lái)的變革浪潮中大顯身手。

　　包云崗對此很有信心。“一生一芯”計劃首批5名本科生，全部加入中國自主研發(fā)的開(kāi)源高性能RISC-V處理器“香山”的研發(fā)團隊，并成為技術(shù)骨干。

　　后續幾期成功流片的學(xué)生，其深造和就業(yè)去向也令人鼓舞。“學(xué)生表現出來(lái)的戰斗力是驚人的。等到他們30歲時(shí)，就可以說(shuō)已經(jīng)是處理器芯片和計算機系統設計領(lǐng)域的‘老兵’了。”包云崗說(shuō)。

　　時(shí)間回到2019年8月。“一生一芯”計劃啟動(dòng)的那天，正是北京悶熱的夏日。大家齊聚包云崗的辦公室，有人穿著(zhù)短褲，有人趿著(zhù)拖鞋。在十分不嚴肅的氛圍中，他們開(kāi)始了一項嚴肅的探索。

　　此后的時(shí)光里，6期計劃陸續執行。4年來(lái)，共計600余名學(xué)生通過(guò)“一生一芯”計劃不同階段的能力考核學(xué)習完全部課程，100余名學(xué)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(wèn)題的解決方案。在山重水復疑無(wú)路的痛苦中，他們于不知不覺(jué)間，輕舟已過(guò)萬(wàn)重山。

　　包云崗手機里珍藏著(zhù)一段視頻，那是學(xué)生拿到自己設計的芯片后進(jìn)行測試的畫(huà)面。每名學(xué)生都記錄下芯片“點(diǎn)亮”的瞬間，顯示器上，出現最多的畫(huà)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