17-ysyx-“一生一芯”計劃和開源芯片人才培養.pdf

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1、“一生一芯”計劃和開源芯片人才培養余子濠“一生一芯”項目組2023.08計算機系統與處理器芯片課程虛擬教研室微信公眾號Email:官方網站 ysyx.org一、“一生一芯”計劃初衷我國優秀處理器芯片人才儲備嚴重不足l85%v.s.4%：2008-2017十年體系結構國際頂級會議ISCA論文的第一作者85%在美國，僅有4%在中國，不足美國的1/20，差距巨大l中國加快處理器芯片人才培養規模與速度，迫在眉睫一作國籍畢業去向ISCA十年論文第一作者統計情況(2008-2017)處理器芯片設計人才培養面臨的挑戰Image Source:https:/ Olofsson,Intelligent Desi

2、gn of Electronic Assets(IDEA),2017應用程序運行時環境操作系統指令集微結構電路綜合物理設計物理驗證版圖寫RTL學生預期實際是個系統工程“一生一芯”計劃總體介紹應用程序運行時環境(簡易)操作系統指令集(RISC-V)微結構電路綜合物理設計物理驗證版圖CSEE985高校211高校普通高校吸引提升培養熟悉深入了解軟件芯片EDA香山亂序超標量緩存指令擴展分支預測IP預取一致性U-bootUEFIOpenSBILinuxGCCLLVMQEMU布線布局時鐘樹打破教育資源不平衡的壁壘突破傳統課程的邊界,融合EE和CS的全棧人才培養培養后進入開源社區/企業,攻關卡脖子領域布圖標

3、準單元時序分析等價性驗證工藝映射軟硬件協同前后端全鏈條基于開源新賽道的一種貫通課程的實踐型開放式大規模人才培養計劃“一生一芯”計劃執行情況l自2019年起已歷六期，循序漸進，逐步放大規模，保持教學質量l數據統計時間:2023年8月19日期數啟動時間報名結束時間報名人數覆蓋高校持續學習人數達成流片指標人數一2019年8月-5155二2020年8月-1151111三2021年7月2021年9月76016821551四2022年2月2022年8月1753 32821518(學習指標提升)五2022年8月2023年7月1881 37915510(持續增加中)六2023年7月未結束82119037未進行

4、至流片階段七預計2024年1月啟動感興趣投入學習二、本科生帶著自己的芯片畢業首期“一生一芯”計劃（2019年8月12月）首期“一生一芯”計劃讓學生帶著自己設計的處理器芯片畢業l2019年8月底，在國內首次以流片為目標，由5位2016級計算機學院本科生主導完成一款64位RISC-V處理器SoC芯片設計，于12月19日流片l芯片成功運行Linux操作系統與國科大教學操作系統UCAS-Core金越王華強王凱帆張林雋張紫飛4個月高強度開發歷程RV64IM壓縮指令(RVC)FreeRTOS/RT-ThreadL1 cache預取Sv32-PTW發現cache設計bugTLB支持RVC的分支預測Sv39-

5、PTW分析預取性能倒退原因M/S/U特權級原子操作(RVA)Sfence.vma分時多任務Nanos-lite添加burst讀寫支持作為L2TLB流水化xv6缺頁異常L2預取分析解決性能倒退TLB資源/時序優化補充CSR/Linux聯調LinuxDebian11/18 22:5711/18 10:3911/21 17:3112/10 16:26Debian聯調12/13 14:2610/19 13:2110/21 18:289月10月11月12月應用OSCPUSoCRV64IM時鐘中斷BusyboxhelloGCC,QEMUloginRVC時鐘FreeRTOS/RT-ThreadSv39-PT

6、WM/S/U缺頁異常xv6RVA補充CSRLinuxBusyboxhello11/10 13:0711/13 21:29Dummy-SD卡LinuxDebianGCC,QEMU12/08 16:2710/19 19:0809/18 01:07王華強張紫飛張林雋金越王凱帆項目分工接入SPI Flash控制器開源IP核并進行訪問和取指驗證驗證UART開源IP核驗證SDRAM控制器開源IP核驗證ETHMAC開源IP核發現SDRAM控制器64位數據讀寫bugxv6聯調xv6聯調Redis確定技術路線選擇基礎平臺搭建開發環境前期準備模擬器成果：果殼（NutShell）l110nm工藝l10mm2l200

7、mw350MHz TypicallTQFP100封裝l單發射9級流水順序核lRV64IMAC指令集，支持M/S/U特權級l兩位飽和計數器分支預測，512項BTB，16項RASl支持Sv39分頁機制,支持硬件TLB填充l32K指令/數據L1 cachel支持L1 指令/數據cache讀一致性l128K L2 cache，支持next line預取l使用Chisel語言開發l支持SDRAM、SPI flash、UART等外設l支持啟動Linux 4.18.0內核l支持運行Busybox套件l在仿真/FPGA環境下支持啟動Debian 11一款功能完整的RISC-V處理器基于國產110nm工藝完成流

8、片學生感悟大部分知識在體系結構課程中工作原理也很簡單，只有短短的幾行，但是真正在代碼中實現卻比自己所想象的要困難得多。胡偉武老師曾經說過，我們計算機系的同學應該學會怎么造計算機而不是怎么用計算機。我以前對這句話并不太有感觸，相反曾經質疑國科大計算機系的課程設置這么多硬件的內容是否合理。但真正參與到項目中才發現在大學里所學的知識和技能是真的有用。使用者=創造者和4個月之前的自己相比最重要的就是這種觀念上的轉變。遇到bug不再在一個地方上死磕，而是從心理上告訴自己bug都是人寫出來的，只要有耐心，只要挖得足夠深就一定能找到問題所在。更自信、更有耐心與之前實驗最大的不同就是沒有先行者一步一步的詳細指

9、導，而是要自己尋找方法，獨立實現，然后進行驗證甚至推倒重來。依賴指導=主動探索提升專業知識，錘煉心理素質真正參與到項目中才知道課程作業就像直接給人采摘的果園一樣，但項目卻是給一片荒地和幾顆果樹苗，從開墾種植和施肥都要自己動手，并且還不知道這樣能不能結出果實。不知為何，總覺得從0開始種出的果實要更甜一些。成就感首期“一生一芯”計劃取得成功l五位同學實現“帶著自己設計的處理器芯片畢業”這一目標“果殼”設計被RISC-V Global Forum接收NutShell:A Linux-Compatible RISC-V Processor Designed by Undergraduates全世界29

10、個技術報告唯一一個由本科生完成向國際社區開源，已有近百位使用者l果殼已在GitHub開源l超過200個Fork14https:/ 625人，占比82%；較多已畢業學生報名l覆蓋168所高校（含國外30所）l國科大（72人）l浙江大學（29人）l電子科技大學（24人）l華中科技大學（23人）l東南大學（23人）l西安電子科技大學（20人）l南京大學（16人）l北京大學（15人）l報名情況簡析l年級分布：l本碩博各年級均有分布l本科生占比 44%，碩士 50%，博士 6%l按細分來看，研一（27%），大三（23%），研二（14%），大二（11%）教學團隊l工作內容l準備講義和其他輔助材料；組織報告

11、和答疑l組織團隊l技術指導：余子濠l技術負責：洪志博（深圳大學）l助教團隊l線下助教（13人）：楊燁（深大）；薛臻（鵬城實驗室）；夏斌（上?？拼螅?；王唯一（浙大）；吳瑩（浙大）；楊浩澤（東南大學）；郭明鑫（中科院自動化所）；祁民浩（深大）；段震偉（中科大）；梅曉龍（海南大學）；鄧海文（海南大學）；史歷（上海交大）；張宇軒（西安交大）；l線上助教（14人）：王嵩岳（國科大）；葉從容（集美大學）；桑乾龍（武大）；潘星雨（重慶郵電）；胡軒（中科院計算所）；劉實（浙大）；苑子琦（浙大）；劉定邦（哈工大(深圳)）；周聰（天大）；肖天海（港科大）；尹承彬（上海交大）；陳春韻（南洋理工）；張行?。ㄕ愦螅?；唐

12、偉康(涂鴉科技)支撐團隊lSoC團隊（4）l工作內容：SoC集成和驗證，前后仿，綜合和時序約束等l預計周期：10月7日到11月7日l技術指導：劉彤l技術負責：張文迪（海南大學）l技術團隊：謝王照琪(澳門科技),吳澤輝(華南理工),龍康杰（上?？拼螅﹍IC后端團隊（5）l工作內容：實施物理設計，并生成可流片的 GDSII 版圖l預計周期：11月7日到11月30日l技術指導：何偉及其團隊l技術負責：莊楚楠（廣東工業大學-新入職鵬城實驗室）l技術團隊：張書涵（海南大學）,方聞績（南航）,夏麗平（華南師范）,熊啟（北大深）維護學生的學習記錄和組會情況一位學生在“一生一芯”學習過程的成長記錄第三期“一生

13、一芯”成果l流片情況：l2021年12月底班車：39個處理器核（包括助教5個、測試核2個）l2022年2月底班車：9個處理器核l答辯情況lC9（10），985（12），211（9），普通高校（11）l電子/微電子/集成電路：25人；計軟：13人；其他：4人l大一（2），大二（3），大三（11），大四（3）l研一（8），研二（11），研三（1），博一/二/三（4）l指標情況l分支預測：12個；l亂序執行：3個；lChisel:16個；Verilog/sv：31個lCache：12個第三期“一生一芯”的成果用開源EDA工具設計并投片的110nm（一生一芯）處理器核第三期“一生一芯”學生學習心得分享

14、l項目組安排了8位同學的分享報告l不同點：來自不同學校、不同年級、不同專業l相同點：之前均未設計過處理器n 高澤宇，中國科學院大學，報名時大三，電子信息工程n 徐鑫，山東交通學院，報名時大一，電子信息工程n 孫際儒，南京大學，報名時大一，計算機科學與技術n 粟金倫，太原理工大學，報名時大二，水利n 于皓哲，沈陽工業大學，報名時研一，電子科學與技術n 許立達，中科院微電子所，報名時博一，微電子n 張文迪，海南大學，報名時研二，電子與通信工程，負責SoC集成和驗證n 莊楚楠，廣東工業大學，應屆畢業，微電子，負責后端物理設計高澤宇中國科學院大學電子信息工程,報名時大三孫際儒南京大學計算機科學與技術,

15、報名時大一徐鑫山東交通學院電子信息工程,報名時大一粟金倫太原理工大學水利,報名時大二于皓哲沈陽工業大學電子科學與技術,報名時研一張文迪海南大學,SoC團隊成員電子與通信工程,學習時研二許立達中科院微電子所微電子,報名時博一莊楚楠廣東工業大學,后端團隊成員微電子,學習時為應屆畢業生第三期處理器芯片和板卡展示第三期板卡元件測試測試團隊 黃健明(海南大學)盧非凡(西安財經大學)馬壯(中國科學技術大學)繆宇馳(鵬城實驗室)許立達(中科院微電子所)第三期板卡軟件測試內存測試RT-Thread測試第三期學生進行beta測試第三期學生單人作品展示l陳璐南京大學,報名時大三,計算機科學與技術l從Flash中加

16、載Linux并啟動,展示中科院logo第三期學生單人作品展示(2)l唐浩晉中國科學院大學,報名時大三,電子信息工程l在Linux上運行字符版2048游戲https:/ 一位低年級學生單人學習的成果處理器芯片設計人才培養探索：“一生一芯”計劃實踐經驗與教訓第四/五期l提高學習指標:RV64IM啟動自制OS軟件棧,運行游戲“仙劍奇俠傳”l加入南京大學的PA實驗,強化軟硬件協同的訓練l自行實現模擬器/編譯程序/編寫自制OS和運行時環境/搭建仿真和測試環境.l完善講義,共26萬字(含PA部分)l預學習/B(aseline)階段/A(dvanced)階段,指導學生學習l螺旋上升的融合式計算機系統設計l培

17、養和流片分離,學習不設截止日期l取消組隊,只允許單人參加l第五期新增教學視頻和課件第四期學習成果l新增VGA,提升展示效果B階段學習成果:運行80年代游戲超級瑪麗第三期的字符版本第四期學習成果l新增VGA,提升展示效果A階段學習成果:運行90年代游戲仙劍奇俠傳S階段學習成果（部分）:運行00年代游戲CLANNAD報名無需費用,學習資源均開放課件講解+代碼講解+代碼演示B站賬號:一生一芯-視頻號課程主頁講義26萬字課件800+頁,8.5萬字教學視頻時長40+小時“一生一芯”資源l“一生一芯”主頁-ysyx.orgl課程主頁-ysyx.org/docs/l包含報名鏈接,常見問題,課件,講義l以及直

18、播鏈接,錄播鏈接等lB站賬號-一生一芯-視頻號lB站主頁lhttps:/ hello.c#include int main()printf(“Hello YSYX!n”);return 0;預學習12個月預學習答辯15分鐘B階段2個月A階段3個月代碼調試考核45分鐘PLLVGAUARTSPI接入SoC1周后端物理設計2個月投片生產24個月芯片封裝2周板卡基礎測試1周板卡系統測試1周正式學習知識圖譜應用程序運行時環境操作系統指令集微結構電路綜合物理設計物理驗證版圖CSEE軟硬件協同前后端全鏈條解決工程問題的基礎設施：lint工具、sanitizer、printf、trace、gdb、波形、pro

19、filer使用正確的模式寫出好代碼（不言自明、不言自證）、測試、斷言從C語言到二進制、ELF文件和鏈接RISC-V指令集、程序的機器級表示模擬器、單周期AM裸機運行時環境游戲I/O指令總線、設備IO庫OS應用自陷指令異常機制自制OSC庫SoC計算機系統：UART、SPI控制器、Flash顆粒開源EDA程序指令集處理器狀態機模型編譯CPU設計緩存并行預測專用分支預測乘/除法器指令流水線Cache設計ProfilingBenchmark體系結構優化方法獨立解決問題的能力：科學提問看手冊、讀代碼、搜索互聯網學會使用/改進/制造工具先完成后完美第四期“一生一芯”學習情況統計(2023年2月)高校分布年

20、級分布報名(1753人)學習到B階段(98人)學習到A階段(101人)數據整理:“一生一芯”學習成長追蹤小組第四期“一生一芯”流片名單序號學號學校專業年級（報名時）1ysyx_22040053南京大學計算機科學與技術大二2ysyx_22040066南京大學計算機科學與技術大二3ysyx_22040656中國計量大學計算機科學與技術大二4ysyx_22040163南通大學計算機科學與技術大二5ysyx_22040091中國科學院大學計算機科學與技術大三6ysyx_22040596華南理工大學電子科學與技術大四7ysyx_22041812南方科技大學電子科學與技術研零6月8ysyx_2204012

21、7東南大學人工智能研一9ysyx_22040654福州大學集成電路工程研一10ysyx_22040978中國科學院大學電子信息研一11ysyx_22041514杭州電子科技大學計算機技術研一12ysyx_22040213中國科學院大學微電子學與固體電子學研二13ysyx_22040561北京大學集成電路工程研二14ysyx_22041461四川大學微電子科學與工程大二15ysyx_22040886北京理工大學電子信息大三16ysyx_22050228東北大學電子科學與技術大三17ysyx_22050920杭州電子科技大學電子科學與技術大四18ysyx_22040501哈爾濱工業大學信息與通信工

22、程研一19ysyx_22050133北京大學機械研二ysyx_040053ysyx_040066ysyx_040091ysyx_040127ysyx_040163ysyx_040213ysyx_040561ysyx_040596ysyx_040654ysyx_040656ysyx_040978ysyx_041514ysyx_041812第一批流片SoC第四期“一生一芯”學生學習心得分享l馮浩原中國科學院大學,計算機科學與技術,報名時大三l大四時在北京開源芯片研究院實習,成為“香山”團隊的技術骨干lhttps:/ conv;reg 31:0 m0:8192;reg 12:0 pc;reg 31:

23、0 acc;reg15:0 ir;alwaysbeginir=mpc;if(ir15:13=3b000)pc=mir12:0;else if(ir15:13=3b010)acc=-mir12:0;.布圖規劃布局布線版圖邏輯綜合物理設計簽核分析邏輯優化工藝映射布圖規劃全局布局合法化詳細布局時序分析物理驗證功耗分析形式化驗證時鐘樹綜合全局布線詳細布線仿真驗證RTL功能仿真器體系結構探索體系結構模擬器測試綜合可測性設計測試生成故障診斷處理器預期指標開源芯片技術生態論壇（原“一生一芯”技術論壇）Session2:開源EDA8月25日14:00-15:15,北京市香格里拉飯店三層翡翠廳第六期“一生一芯”

24、火熱報名中掃碼或登錄 ysyx.org 點擊“立即參與”官方網站 ysyx.org五、“一生一芯”社區活動第六期新增入學大禮包l通過入學答辯，進入正式學習，獲得入學大禮包一份！l內容豐富，專屬于“一生一芯”正式學員入學大禮包“一生一芯”徽章定制文化衫一件定制雙肩包一個“一生一芯”正式學員學號畢業成果l完成“一生一芯”學習，可獲得芯片、板卡以及證書l隨附畢業大禮包（具體內容待定）畢業收獲板卡認證證書芯片積分兌換周邊l參加志愿活動，積累積分，可兌換周邊l大家可以發起提案，增加新的文化周邊l提案被采納后，有額外獎勵可兌換周邊（部分）“一生一芯”文化衫RISC-V文化衫“一生一芯”帆布包“一生一芯”雙

25、肩包更多周邊陸續上線，盡請期待積分任務（部分）提議新的文化周邊參與“一生一芯”調研問卷“一生一芯”官方錄用文章“一生一芯”官方錄用分享視頻“一生一芯”官方錄用報告視頻“一生一芯”分享報告組織“一生一芯”巡回演講完成B/A階段學習的認證任務內容持續更新中（效果圖）SIG小組 組隊攻堅感興趣的項目l已成立的SIG小組l高性能體系結構模擬器設計用于體系結構探索的模擬器l高性能RTL仿真器目標性能優于Verilatorl開源處理器核與外圍IP為“一生一芯”SoC提供豐富功能l開源芯片數據集收集并運行現有的開源芯片項目,為開源EDA提供數據集l國際交流與翻譯傳播開源芯片國際最新動態l有想法但還沒開設的S

26、IG小組(需要有組長)l看B站設計一顆可流暢看B站的開源處理器芯片l芯片上天與航天院所合作,學習設計高可靠的處理器芯片,所設計芯片產品有機會在軌驗證!l二進制翻譯在RISC-V處理器上玩windows游戲l 大家如果有新想法,可聯系我們進行立項討論,通過后可提供經費支持!開源芯片技術生態論壇（原“一生一芯”技術論壇）,Session3:“一生一芯”SIG小組8月25日15:15-15:40,北京市香格里拉飯店三層翡翠廳開源社區貢獻 RVFA認證考試中文翻譯苗金標段震偉劉漢章曹勛楊海帆曹世洋倪仁濤魏人陳璐粟金倫吳佳賓姓名學校/單位年級繆宇飏中科院計算所-(組長)苗金標中國科學技術大學研二段震偉中

27、國科學技術大學研三劉漢章太原理工大學大三曹勛中國科學技術大學研二楊海帆浙江工商大學大四曹世洋中國科學技術大學研二倪仁濤東北大學研一魏人蘭州大學大四吳佳賓青島大學研一陳璐中國科學院大學博一粟金倫太原理工大學大四原文和譯文翻譯小組斟酌用詞繆宇飏月度報告和技術論壇l月度報告：7月開始，每月第一個周末，匯報項目進展，舉行入學儀式等l技術論壇：每年組織 12次技術論壇（獨立或聯合其他主題）l活動預告：8月25日，開源芯片技術生態論壇（原“一生一芯”技術論壇）l地點：北京市香格里拉飯店三層翡翠廳l包含專家邀請報告，“一生一芯”技術分享等包老師報告第一屆論壇大合影第一位高中生正式學員祝賀北京一零一中學的煙雨

28、松同學于2023年2月通過預學習答辯,成為“一生一芯”計劃第一位進入正式學習的高中生！暑期夏令營活動及學員去向學習深造就業卡耐基梅隆大學北京開源芯片研究院佛羅里達大學華為海思香港科技大學比特大陸中科院計算所北京嘉楠捷思中科院微電子所北京微核芯清華大學進迭時空復旦大學中科院計算所南京大學鵬城國家實驗室浙江大學.2022年6月-8月，“一生一芯”暑期夏令營地點：北京開源芯片研究院2023年度暑期夏令營l時間：7月8月，上海處理器技術創新中心l近距離認識芯片，高密度學習芯片姓名學校專業年級煙雨松北京一零一中-高三曾宇航東華理工大學計算機科學與技術大一張宇馳太原理工大學電氣工程及其自動化大一袁永強西安

29、郵電大學電子信息工程大二潘巖哈爾濱工業大學計算機科學與技術大二孟沛電子科技大學軟件工程大二王翩上?？萍即髮W計算機科學與技術研零唐德宇中國科學技術大學軟件工程研一丁旻昊中南大學電子科學與技術研一趙樹鈺中國科學技術大學軟件工程研一煙雨松曾宇航張宇馳袁永強潘巖孟沛王翩唐德宇丁旻昊趙樹鈺開源芯片技術生態論壇（原“一生一芯”技術論壇）Session4:“一生一芯”技術分享8月25日16:00-17:20北京市香格里拉飯店三層翡翠廳“一生一芯”官網及公眾號“一生一芯”公眾號官方網站 ysyx.org對寫文章、視頻剪輯、新媒體運營感興趣的同學歡迎加入宣傳SIG小組發送簡歷：“一生一芯”校園行巡回演講活動l2

30、023年3月至今，“一生一芯”深入校園，開展多場巡講活動l秋季學期，我們的行程還會繼續，盡情期待！l如果想邀請“一生一芯”去你的學校，歡迎同學們隨時聯系項目組l目前問題:開放式學習給予學生很大的自由度,但能堅持到最后的較少l期待與高校開展合作,共同探索時間巡講學校巡講內容3月19日北京工業大學宣講4月13日北京科技大學宣講+教學交流5月17日東北大學（秦皇島分校）宣講5月25日青島大學宣講+教學交流6月10日天津工業大學宣講6月14日天津理工大學宣講+教學交流6月16日太原理工大學宣講更多活動正在排期中，歡迎同學們邀請5種可選的高校合作方案l方案一：社區方式l學校鼓勵學生報名參加，按照“一生一

31、芯”項目組提供的教學方案學習l包括講義、課件、視頻、框架代碼等l進入正式學習后，學生需每周向助教匯報學習進展助教可定期向教師反饋學生的學習情況l學校要求：無l方案二：社團方式/暑期班方式l學校開設社團/暑期班，召集感興趣的學生參加并學習“一生一芯”l學校為本校學生提供線下場地，打造更好的學習氛圍若有條件，可給予實習學分l“一生一芯”助教和學校中有經驗的學長提供技術指導l教師提供學習方法指導l學校要求：提供場地，教師提供學習方法指導5種可選的高校合作方案(2)l方案三：案例方式l將“一生一芯”的部分教學案例和工具引入已有的理論課堂l在不大幅改動原有課程的情況下引入，作為補充l可與“一生一芯”項目

32、組討論教學內容，共同探討如何引入l學校要求：相關理論課程的任課教師了解“一生一芯”的知識點l方案四：實驗方式l將“一生一芯”的部分實驗內容引入已有的實驗課堂l可與“一生一芯”項目組討論教學內容，共同探討如何引入l學校要求：相關實驗課程的任課教師了解“一生一芯”的技術細節5種可選的高校合作方案(3)l方案五：課程方式l將“一生一芯”的教學內容作為一門新（選修）課程開設l作為系統能力系列課程的收官課l學校要求：任課教師了解“一生一芯”的大部分內容，需要若干學習過“一生一芯”的助教支撐課程的開設l高?？筛鶕l件選擇方案l從優秀的學生中選拔助教，輔助教師開展其他教學任務教學交流北京科技大學,2023.05關于教學內容討論，可聯系余子濠博士“一生一芯”計劃l硅上教學：融合本科階段EE和CS專業知識點的實踐項目l戰略意義：為攻關卡脖子領域培養人才，輸送到企業和開源社區l公益培養：學習資源全公開，免費學習；在校生免費流片設計人生中的第一顆處理器芯片“一生一芯”公眾號計算機系統與處理器芯片課程虛擬教研室官方網站ysyx.org