做芯片，兰州大学本科生是认真的
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又是一个午夜，错误究竟出在哪儿？一遍遍检查调试代码，依然没有发现问题所在，一筹莫展之际，兰州大学信息科学与工程学院2019级本科生陆钇桦向“战友们”电话求助。待电话挂断，陆钇桦长舒一口气，时间已是凌晨三点。过去一年，这样的场景不知上演了多少次。

一分耕耘一分收获。近日，由兰州大学“一生一芯一系统”本科生团队自主研发设计的基于RISC-V指令集的嵌入式处理器已完成流片并回片，经测试，该芯片功能正常，达到设计预期目标，可用于控制智能家电、医疗设备、汽车工业等场景。目前，该项目已在Gitee网站上开源，供全世界芯片设计爱好者参考。



“一生一芯一系统”项目第2期成员在研讨中。兰州大学党委宣传部供图

时光回溯到2020年，兰州大学信息科学与工程学院副教授何安平了解到，部分高校在尝试让本科生做CPU（中央处理器）芯片研发工作。“当前培养计算机人才强调计算机系统能力，也就是说，既要培养同学们的软件开发能力，也要加强同学们对硬件的理解。研发芯片就是认识硬件的有力抓手。”何安平说。

2021年6月，信息科学与工程学院启动了“一生一芯一系统”研发项目。经过同学们自主报名，第一期项目共吸纳了计算机类专业、电子信息类专业和物理学院微电子专业的7名本科生。

对于没有任何CPU芯片开发经验的本科生来说，确定研发目标是个大难题。何安平说：“一方面我们考虑了学生的实际情况，另一方面我们也希望把目标定高一点，让学生踮起脚、伸长手臂才能够得着。”

经过广泛阅读国内外优秀论文案例，团队决定从嵌入式CPU做起。嵌入式CPU设计相对简单，也是目前使用最广泛的中央处理器，全球每年的出货量可达上百亿颗。指令集架构是CPU设计的核心，CPU各个模块之间相互协作依赖共同的指令集。目前大部分指令集架构，要么需要昂贵的授权费，要么不适用于嵌入式系统开发，而RISC-V指令集具有低功耗、低成本、全面开源等特性。综合考虑下，团队选择使用RISC-V指令集。

CPU核、总线和外设三部分构成一个简单的系统级芯片。CPU核是整个运算处理单元的核心，采用两级流水单发射架构，包括第一级流水模块、第二级流水模块、中断异常模块三部分。“这种两级流水架构相当于工厂中的流水线，且两级流水的电路能够同时执行不同的指令，有效提高了指令执行的效率和电路的利用率。中断异常处理模块可以处理异常情况和中断请求，根据中断源和异常源执行相应的程序。”陆钇桦介绍，总线上挂载了4个外设，数据通过总线在CPU核和外设之间进行传输。

项目组对芯片进行性能测试。兰州大学党委宣传部供图

芯片系统整体架构设计阶段结束后，团队迅速进入编码阶段。队员们利用课余时间定期沟通，遇到问题及时协调解决。“过程很难，攻克之后就很了不起。”尽管编码调试阶段遇到了重重困难，但是队员们总是相互鼓励，从不轻言放弃。“累了我们就一起出去吃顿饭，或者爬爬萃英山，回来之后继续攻关。”2018级信息科学与工程学院本科生张灵壮笑着回忆。

在芯片临近流片之际，为了保证芯片质量，队员们夜以继日地泡在实验室里反复验证测试。“白天做不完就熬夜做，大家自愿留在实验室通宵。当时什么也顾不得，只想着一定要做到最好，不能让之前的努力付诸东流。”2019级信息科学与工程学院本科生李勋说。


部分成功流片的芯片。兰州大学党委宣传部供图

这支本科生团队从零开始，经过一年时间，一步步完成了芯片设计全流程工作。“芯片最大的突破在于采用了同异步混合电路。CPU核运用同步电路设计，使用统一的时钟驱动，这也是目前较为主流的设计方式；总线采用全异步电路，设计起来比同步电路更加复杂，具有低功耗、高功效的特点。”何安平说。2022年7月，芯片顺利送往代工厂进行流片。

“很多同学认为CPU芯片研发是极难的工作，事实证明本科生完全有能力完成。‘一生一芯一系统’第一期项目的成功，改变了同学们重软件、轻硬件的观念，提升了大家的计算机系统能力。设计制造中国芯片离不开人才，芯片制造者既是基础理论扎实的科学家，也是技艺精湛、精通编程的工程师，这些人才需要从本科阶段开始培养。”兰州大学信息科学与工程学院党委书记陈文波说，之后的项目将逐渐加大难度，让学院所有同学参与其中。

经过半年的等待，兰州大学本科生研发的嵌入式芯片成功流片，被命名为“兰州大学RISC-V处理器1号”。陆钇桦小心翼翼地将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报。

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