“一生一芯”计划负责人、中国科学院大学计算机科学与技术学院副院长包云岗在介绍学生设计的芯片。学校供图
■走在教育强国大路上聚焦人才自主培养
一粒砂石，必须经过最严格加工，才能淬炼为一枚芯片。
提纯，砂子在1200摄氏度的高温里进行眼花缭乱的化学反应；切割，闪现寒光的金刚石锯将单晶硅棒切为0.5毫米的薄片；光刻，光源以每秒数万次的频率在纳米尺度上搭建晶体管组成的宏大“城市”。
一名学生，必须经过最严格的训练，才能成长为合格的芯片设计工程师。
课程，讲授基本理论和方法；设计，集齐各种软硬件供学生取用；工厂，拿出宝贵产能将设计方案变为真正的芯片。
2019年8月，中国科学院大学启动“一生一芯”计划，依托以“科教融合”为特色的计算机系统领域教育、科研及人才“三位一体”培养体系，凿通教育链、产业链、资金链，培养面向未来自主可控的信息技术体系的领军人才。4年来，完整执行学习计划的学生，从“小白”成长为可以设计、制造芯片的人才，与变成芯片的砂石一起破“壳”而出。
“带着自己设计的芯片毕业”
“华为在国内找不到处理器芯片设计人才的情况，是意料之中的。”2019年，得知华为遭受制裁，中国科学院大学计算机科学与技术学院副院长、中国科学院计算技术研究所副所长包云岗如是感慨。
华为的困局与国内芯片产业、教育环境密切相关。“当时，国内开展处理器芯片设计相关教学与研究的大学不多，学生学、用落差巨大。处理器芯片从设计到制造的产业链条漫长，涉及软硬件协调、多学科交叉，高校日常教学往往只涉及个别环节，很多学生直到毕业都以为做芯片就是写代码。”包云岗说。
一连串短板效应的传递，最后就是中国优秀处理器芯片人才储备严重不足。内外严峻形势下，面向未来科技和产业布局，必须大幅提高人才培养质量和效率。
秉承“科研为国分忧、创新与民造福”的理念，循着“设计一种新的教学体系，降低芯片设计门槛，让学生能设计自己的芯片并成功流片”的思路，在中国科学院大学和中国科学院计算技术研究所的大力支持下，由孙凝晖院士部署，包云岗团队牵头设计并组织实施了“一生一芯”计划。
“计划的目标非常明确，即突破传统课程的边界，构建一套软硬件协同、打通前后端全链条的处理器芯片教学流程，提高我国处理器芯片设计人才培养质量，缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期，培养更多紧缺的芯片人才。”包云岗说。
“一生一芯”计划于2019年8月启动。首批参与的学生，是5名本科生。包云岗明确告诉他们，这是一个崭新的教学计划，会耗费参与者大量时间和精力，前路未知，“你们是否愿意当小白鼠？”
5人无一拒绝。
事实证明，5名本科生和教学团队一起蹚出了一条路。在“引导学生找思路，而非帮学生解决Bug”的教学思路下，当年12月，经过4个月高强度的开发工作，学生的处理器芯片设计版图正式提交厂家。次年4月，芯片成品返回，测试结果基本正常。通过技术答辩后，5名本科生实现了“带着自己设计的处理器芯片毕业”的目标。
“一生一芯”计划，走得通！
迄今，“一生一芯”计划已历6期，规模逐步放大。为了应对大规模芯片人才培养的挑战，教师解壁伟提出“让学生指导学生”，在学习的学生中遴选助教，指导新报名的学生学习。为了集聚更多有志于芯片设计的各高校学生，在助教团队的支撑下，通过举办暑期班、送课上门等方式，“一生一芯”计划已在中国科学院大学实践经验的基础上向全国辐射，覆盖高校从1所扩大到300余所，报名人数从首期的5人到第6期的2000余人，6期累计报名已超6000人。不仅高校，华为、长城汽车等企业也送相关技术人员参与课程学习，“一生一芯”计划逐渐成为全国芯片设计人才培养的大平台。
成功秘诀是“开源、共享”
“一生一芯”计划何以取得初步成功？
“开源、共享。”没有迟疑，包云岗给出答案。
包云岗多次提到计划“覆盖高校从1所扩大到300余所”这一事实，“从一开始，我们团队就希望能将这门课程向全国高校的学生开放”。
团队的愿景，基于国内相关专业教学的困境。
放眼全国高校，依据传统教材进行条块分割、远离产业的教学，依然是常态。希望快速地大规模进行教学迭代，并非易事，多数高校也并不具备打通课堂、产业链条的能力。比如，学生设计的芯片拿去流片，必须借助芯片制造厂商的力量。背靠中国科学院大学和中国科学院计算技术研究所的平台，团队教师只花了几天就谈好合作，但这对一些专业背景相对缺乏的地方院校来说，却很难做到。
在工厂产线流片，资金也是问题。“我们学校有配套政策提供资金，鼓励教师团队开展创新尝试。”中国科学院大学党委常务副*、副校长王艳芬说。在中国科学院大学和其他支撑单位的支持下，团队顺利开展流片工作。再加上一些企业提供的经费支持，团队顺利和相关厂商达成意向。
“我们有这么好的条件，是不是应该站出来做一些事情？”团队成员心中充满执念。
因为“开源、共享”，教育链、产业链、资金链的能量得以汇聚；也因为“开源、共享”，“一生一芯”成为面向全国学生无偿开放的教学计划。
“经过主讲老师余子濠的努力，我们积累了26万字的讲义、超过40小时的教学视频，不限高校、专业和年级，提供给所有感兴趣的学生。”包云岗说。
余子濠时常到各地高校宣讲“一生一芯”计划。令他欣慰的是看到很多非“双一流”建设高校学生眼中的光芒，“他们平时不容易接触到这些学习资源，但对计算机和芯片充满热爱。我们提供的课程，让他们有了施展才华的平台”。
在2023年8月结束的第七届全国大学生计算机系统能力培养大赛（龙芯杯）上，来自地方院校的“一生一芯”计划学员王晨宇斩获个人赛总决赛一等奖。“‘一生一芯’对我的影响是全方位的，它让我接触到之前难以想象的资源，助我全方位成长。”王晨宇说。
助教对学生的指导也是一种“共享”。“能把自己所学的知识经验分享给其他同学，引导他们在自己思考的基础上不断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期学员也是第6期助教的缪宇飏说。
“一生一芯”作为一个实践型的人才培养计划，技术支撑是学生开展学习的关键。第3期学员陈璐在学习过程中为项目移植了若干系统软件，“看到现在的同学还在使用我两年前移植的代码，心里充满了成就感。”她说。
随着越来越多来自全国各高校的学生参与到“一生一芯”计划中，团队也收到了更多来自学生提交的代码补丁和其他反馈。学生在“一生一芯”计划中获得成长，然后反哺“一生一芯”计划，这也充分体现“一生一芯”计划“开源、共享”的属性。
在包云岗看来，“一生一芯”计划在一定程度上打破了计算机专业教育资源不平衡的壁垒。“中国有上千所普通地方院校，其实每所高校都有一些很有潜力的芯片人才。”包云岗说，“如果能全部发挥他们的天赋，对中国处理器芯片的人才储备来说，意义重大。”
“学生表现出的战斗力是惊人的”
“一生一芯”计划瞄准的处理器芯片，其设计基于开源指令集。
这是包云岗团队的有意选择。他们希望，这是一步具有战略意义的“先手棋”。
指令集是计算机软硬件生态运行的逻辑基础。两家国际计算机巨头公司的指令集手册分别有5000页和2700页之巨。庞大繁杂的手册，是数以万计的工程师数十年的智慧结晶，是当代社会生产生活运行的基石。
然而，是基石，也是围墙。
“你能想象，全世界所有的螺钉螺母，需要一家公司来授权生产规格吗？”包云岗说，“这么荒谬的事，却发生在计算机领域。”
巨头是指令集的创造者，也是垄断者。包括处理器芯片在内，外界基于指令集研发软硬件，必须支付高昂的专利费用。“开源、共享”被视为计算机时代的圭臬，它却建立在封闭之上。
和包云岗一样，近年来，国际上学界、业界无法忍受现状的声音越来越多。一种新的开源指令集RISC-V应运而生，这相当于由各方协商制定出行业标准，然后各企业依据标准生产产品。
这或将成为下一代处理器芯片的研发方向。各主要国家均已开展相关研究和产业布局。
从这个角度说，“一生一芯”计划培养的学生，将在未来的变革浪潮中大显身手。
包云岗对此很有信心。“一生一芯”计划首批5名本科生，全部加入中国自主研发的开源高性能RISC-V处理器“香山”的研发团队，并成为技术骨干。
后续几期成功流片的学生，其深造和就业去向也令人鼓舞。“学生表现出来的战斗力是惊人的。等到他们30岁时，就可以说已经是处理器芯片和计算机系统设计领域的‘老兵’了。”包云岗说。
时间回到2019年8月。“一生一芯”计划启动的那天，正是北京闷热的夏日。大家齐聚包云岗的办公室，有人穿着短裤，有人趿着拖鞋。在十分不严肃的氛围中，他们开始了一项严肃的探索。
此后的时光里，6期计划陆续执行。4年来，共计600余名学生通过“一生一芯”计划不同阶段的能力考核学习完全部课程，100余名学生成功流片。其间，他们经历了自我怀疑与否定，在黑夜里苦苦探索问题的解决方案。在山重水复疑无路的痛苦中，他们于不知不觉间，轻舟已过万重山。
包云岗手机里珍藏着一段视频，那是学生拿到自己设计的芯片后进行测试的画面。每名学生都记录下芯片“点亮”的瞬间，显示器上，出现最多的画面是“一生一芯”的标志，和显眼的“谢谢”。
作者：本报记者 张晨 高毅哲
《中国教育报》2024年04月10日第1版
来源： 中国教育报
