1、“一生一芯”计划和开源芯片人才培养余子濠“一生一芯”项目组2023.08计算机系统与处理器芯片课程虚拟教研室微信公众号Email:官方网站 ysyx.org一、“一生一芯”计划初衷我国优秀处理器芯片人才储备严重不足l85%v.s.4%：2008-2017十年体系结构国际顶级会议ISCA论文的第一作者85%在美国，仅有4%在中国，不足美国的1/20，差距巨大l中国加快处理器芯片人才培养规模与速度，迫在眉睫一作国籍毕业去向ISCA十年论文第一作者统计情况(2008-2017)处理器芯片设计人才培养面临的挑战Image Source:https:/ Olofsson,Intelligent Desi

2、gn of Electronic Assets(IDEA),2017应用程序运行时环境操作系统指令集微结构电路综合物理设计物理验证版图写RTL学生预期实际是个系统工程“一生一芯”计划总体介绍应用程序运行时环境(简易)操作系统指令集(RISC-V)微结构电路综合物理设计物理验证版图CSEE985高校211高校普通高校吸引提升培养熟悉深入了解软件芯片EDA香山乱序超标量缓存指令扩展分支预测IP预取一致性U-bootUEFIOpenSBILinuxGCCLLVMQEMU布线布局时钟树打破教育资源不平衡的壁垒突破传统课程的边界,融合EE和CS的全栈人才培养培养后进入开源社区/企业,攻关卡脖子领域布图标

3、准单元时序分析等价性验证工艺映射软硬件协同前后端全链条基于开源新赛道的一种贯通课程的实践型开放式大规模人才培养计划“一生一芯”计划执行情况l自2019年起已历六期，循序渐进，逐步放大规模，保持教学质量l数据统计时间:2023年8月19日期数启动时间报名结束时间报名人数覆盖高校持续学习人数达成流片指标人数一2019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(学习指标提升)五2022年8月2023年7月1881 37915510(持续增加中)六2023年7月未结束82119037未进行

4、至流片阶段七预计2024年1月启动感兴趣投入学习二、本科生带着自己的芯片毕业首期“一生一芯”计划（2019年8月12月）首期“一生一芯”计划让学生带着自己设计的处理器芯片毕业l2019年8月底，在国内首次以流片为目标，由5位2016级计算机学院本科生主导完成一款64位RISC-V处理器SoC芯片设计，于12月19日流片l芯片成功运行Linux操作系统与国科大教学操作系统UCAS-Core金越王华强王凯帆张林隽张紫飞4个月高强度开发历程RV64IM压缩指令(RVC)FreeRTOS/RT-ThreadL1 cache预取Sv32-PTW发现cache设计bugTLB支持RVC的分支预测Sv39-

5、PTW分析预取性能倒退原因M/S/U特权级原子操作(RVA)Sfence.vma分时多任务Nanos-lite添加burst读写支持作为L2TLB流水化xv6缺页异常L2预取分析解决性能倒退TLB资源/时序优化补充CSR/Linux联调LinuxDebian11/18 22:5711/18 10:3911/21 17:3112/10 16:26Debian联调12/13 14:2610/19 13:2110/21 18:289月10月11月12月应用OSCPUSoCRV64IM时钟中断BusyboxhelloGCC,QEMUloginRVC时钟FreeRTOS/RT-ThreadSv39-PT

6、WM/S/U缺页异常xv6RVA补充CSRLinuxBusyboxhello11/10 13:0711/13 21:29Dummy-SD卡LinuxDebianGCC,QEMU12/08 16:2710/19 19:0809/18 01:07王华强张紫飞张林隽金越王凯帆项目分工接入SPI Flash控制器开源IP核并进行访问和取指验证验证UART开源IP核验证SDRAM控制器开源IP核验证ETHMAC开源IP核发现SDRAM控制器64位数据读写bugxv6联调xv6联调Redis确定技术路线选择基础平台搭建开发环境前期准备模拟器成果：果壳（NutShell）l110nm工艺l10mm2l200

7、mw350MHz TypicallTQFP100封装l单发射9级流水顺序核lRV64IMAC指令集，支持M/S/U特权级l两位饱和计数器分支预测，512项BTB，16项RASl支持Sv39分页机制,支持硬件TLB填充l32K指令/数据L1 cachel支持L1 指令/数据cache读一致性l128K L2 cache，支持next line预取l使用Chisel语言开发l支持SDRAM、SPI flash、UART等外设l支持启动Linux 4.18.0内核l支持运行Busybox套件l在仿真/FPGA环境下支持启动Debian 11一款功能完整的RISC-V处理器基于国产110nm工艺完成流

8、片学生感悟大部分知识在体系结构课程中工作原理也很简单，只有短短的几行，但是真正在代码中实现却比自己所想象的要困难得多。胡伟武老师曾经说过，我们计算机系的同学应该学会怎么造计算机而不是怎么用计算机。我以前对这句话并不太有感触，相反曾经质疑国科大计算机系的课程设置这么多硬件的内容是否合理。但真正参与到项目中才发现在大学里所学的知识和技能是真的有用。使用者=创造者和4个月之前的自己相比最重要的就是这种观念上的转变。遇到bug不再在一个地方上死磕，而是从心理上告诉自己bug都是人写出来的，只要有耐心，只要挖得足够深就一定能找到问题所在。更自信、更有耐心与之前实验最大的不同就是没有先行者一步一步的详细指

9、导，而是要自己寻找方法，独立实现，然后进行验证甚至推倒重来。依赖指导=主动探索提升专业知识，锤炼心理素质真正参与到项目中才知道课程作业就像直接给人采摘的果园一样，但项目却是给一片荒地和几颗果树苗，从开垦种植和施肥都要自己动手，并且还不知道这样能不能结出果实。不知为何，总觉得从0开始种出的果实要更甜一些。成就感首期“一生一芯”计划取得成功l五位同学实现“带着自己设计的处理器芯片毕业”这一目标“果壳”设计被RISC-V Global Forum接收NutShell:A Linux-Compatible RISC-V Processor Designed by Undergraduates全世界29

10、个技术报告唯一一个由本科生完成向国际社区开源，已有近百位使用者l果壳已在GitHub开源l超过200个Fork14https:/ 625人，占比82%；较多已毕业学生报名l覆盖168所高校（含国外30所）l国科大（72人）l浙江大学（29人）l电子科技大学（24人）l华中科技大学（23人）l东南大学（23人）l西安电子科技大学（20人）l南京大学（16人）l北京大学（15人）l报名情况简析l年级分布：l本硕博各年级均有分布l本科生占比 44%，硕士 50%，博士 6%l按细分来看，研一（27%），大三（23%），研二（14%），大二（11%）教学团队l工作内容l准备讲义和其他辅助材料；组织报告

11、和答疑l组织团队l技术指导：余子濠l技术负责：洪志博（深圳大学）l助教团队l线下助教（13人）：杨烨（深大）；薛臻（鹏城实验室）；夏斌（上海科大）；王唯一（浙大）；吴莹（浙大）；杨浩泽（东南大学）；郭明鑫（中科院自动化所）；祁民浩（深大）；段震伟（中科大）；梅晓龙（海南大学）；邓海文（海南大学）；史历（上海交大）；张宇轩（西安交大）；l线上助教（14人）：王嵩岳（国科大）；叶从容（集美大学）；桑乾龙（武大）；潘星雨（重庆邮电）；胡轩（中科院计算所）；刘实（浙大）；苑子琦（浙大）；刘定邦（哈工大(深圳)）；周聪（天大）；肖天海（港科大）；尹承彬（上海交大）；陈春韵（南洋理工）；张行健（浙大）；唐

12、伟康(涂鸦科技)支撑团队lSoC团队（4）l工作内容：SoC集成和验证，前后仿，综合和时序约束等l预计周期：10月7日到11月7日l技术指导：刘彤l技术负责：张文迪（海南大学）l技术团队：谢王照琪(澳门科技),吴泽辉(华南理工),龙康杰（上海科大）lIC后端团队（5）l工作内容：实施物理设计，并生成可流片的 GDSII 版图l预计周期：11月7日到11月30日l技术指导：何伟及其团队l技术负责：庄楚楠（广东工业大学-新入职鹏城实验室）l技术团队：张书涵（海南大学）,方闻绩（南航）,夏丽平（华南师范）,熊启（北大深）维护学生的学习记录和组会情况一位学生在“一生一芯”学习过程的成长记录第三期“一生

13、一芯”成果l流片情况：l2021年12月底班车：39个处理器核（包括助教5个、测试核2个）l2022年2月底班车：9个处理器核l答辩情况lC9（10），985（12），211（9），普通高校（11）l电子/微电子/集成电路：25人；计软：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指标情况l分支预测：12个；l乱序执行：3个；lChisel:16个；Verilog/sv：31个lCache：12个第三期“一生一芯”的成果用开源EDA工具设计并投片的110nm（一生一芯）处理器核第三期“一生一芯”学生学习心得分享

14、l项目组安排了8位同学的分享报告l不同点：来自不同学校、不同年级、不同专业l相同点：之前均未设计过处理器n 高泽宇，中国科学院大学，报名时大三，电子信息工程n 徐鑫，山东交通学院，报名时大一，电子信息工程n 孙际儒，南京大学，报名时大一，计算机科学与技术n 粟金伦，太原理工大学，报名时大二，水利n 于皓哲，沈阳工业大学，报名时研一，电子科学与技术n 许立达，中科院微电子所，报名时博一，微电子n 张文迪，海南大学，报名时研二，电子与通信工程，负责SoC集成和验证n 庄楚楠，广东工业大学，应届毕业，微电子，负责后端物理设计高泽宇中国科学院大学电子信息工程,报名时大三孙际儒南京大学计算机科学与技术,

15、报名时大一徐鑫山东交通学院电子信息工程,报名时大一粟金伦太原理工大学水利,报名时大二于皓哲沈阳工业大学电子科学与技术,报名时研一张文迪海南大学,SoC团队成员电子与通信工程,学习时研二许立达中科院微电子所微电子,报名时博一庄楚楠广东工业大学,后端团队成员微电子,学习时为应届毕业生第三期处理器芯片和板卡展示第三期板卡元件测试测试团队 黄健明(海南大学)卢非凡(西安财经大学)马壮(中国科学技术大学)缪宇驰(鹏城实验室)许立达(中科院微电子所)第三期板卡软件测试内存测试RT-Thread测试第三期学生进行beta测试第三期学生单人作品展示l陈璐南京大学,报名时大三,计算机科学与技术l从Flash中加

16、载Linux并启动,展示中科院logo第三期学生单人作品展示(2)l唐浩晋中国科学院大学,报名时大三,电子信息工程l在Linux上运行字符版2048游戏https:/ 一位低年级学生单人学习的成果处理器芯片设计人才培养探索：“一生一芯”计划实践经验与教训第四/五期l提高学习指标:RV64IM启动自制OS软件栈,运行游戏“仙剑奇侠传”l加入南京大学的PA实验,强化软硬件协同的训练l自行实现模拟器/编译程序/编写自制OS和运行时环境/搭建仿真和测试环境.l完善讲义,共26万字(含PA部分)l预学习/B(aseline)阶段/A(dvanced)阶段,指导学生学习l螺旋上升的融合式计算机系统设计l培

17、养和流片分离,学习不设截止日期l取消组队,只允许单人参加l第五期新增教学视频和课件第四期学习成果l新增VGA,提升展示效果B阶段学习成果:运行80年代游戏超级玛丽第三期的字符版本第四期学习成果l新增VGA,提升展示效果A阶段学习成果:运行90年代游戏仙剑奇侠传S阶段学习成果（部分）:运行00年代游戏CLANNAD报名无需费用,学习资源均开放课件讲解+代码讲解+代码演示B站账号:一生一芯-视频号课程主页讲义26万字课件800+页,8.5万字教学视频时长40+小时“一生一芯”资源l“一生一芯”主页-ysyx.orgl课程主页-ysyx.org/docs/l包含报名链接,常见问题,课件,讲义l以及直

18、播链接,录播链接等lB站账号-一生一芯-视频号lB站主页lhttps:/ hello.c#include int main()printf(“Hello YSYX!n”);return 0;预学习12个月预学习答辩15分钟B阶段2个月A阶段3个月代码调试考核45分钟PLLVGAUARTSPI接入SoC1周后端物理设计2个月投片生产24个月芯片封装2周板卡基础测试1周板卡系统测试1周正式学习知识图谱应用程序运行时环境操作系统指令集微结构电路综合物理设计物理验证版图CSEE软硬件协同前后端全链条解决工程问题的基础设施：lint工具、sanitizer、printf、trace、gdb、波形、pro

19、filer使用正确的模式写出好代码（不言自明、不言自证）、测试、断言从C语言到二进制、ELF文件和链接RISC-V指令集、程序的机器级表示模拟器、单周期AM裸机运行时环境游戏I/O指令总线、设备IO库OS应用自陷指令异常机制自制OSC库SoC计算机系统：UART、SPI控制器、Flash颗粒开源EDA程序指令集处理器状态机模型编译CPU设计缓存并行预测专用分支预测乘/除法器指令流水线Cache设计ProfilingBenchmark体系结构优化方法独立解决问题的能力：科学提问看手册、读代码、搜索互联网学会使用/改进/制造工具先完成后完美第四期“一生一芯”学习情况统计(2023年2月)高校分布年

20、级分布报名(1753人)学习到B阶段(98人)学习到A阶段(101人)数据整理:“一生一芯”学习成长追踪小组第四期“一生一芯”流片名单序号学号学校专业年级（报名时）1ysyx_22040053南京大学计算机科学与技术大二2ysyx_22040066南京大学计算机科学与技术大二3ysyx_22040656中国计量大学计算机科学与技术大二4ysyx_22040163南通大学计算机科学与技术大二5ysyx_22040091中国科学院大学计算机科学与技术大三6ysyx_22040596华南理工大学电子科学与技术大四7ysyx_22041812南方科技大学电子科学与技术研零6月8ysyx_2204012

21、7东南大学人工智能研一9ysyx_22040654福州大学集成电路工程研一10ysyx_22040978中国科学院大学电子信息研一11ysyx_22041514杭州电子科技大学计算机技术研一12ysyx_22040213中国科学院大学微电子学与固体电子学研二13ysyx_22040561北京大学集成电路工程研二14ysyx_22041461四川大学微电子科学与工程大二15ysyx_22040886北京理工大学电子信息大三16ysyx_22050228东北大学电子科学与技术大三17ysyx_22050920杭州电子科技大学电子科学与技术大四18ysyx_22040501哈尔滨工业大学信息与通信工

22、程研一19ysyx_22050133北京大学机械研二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”学生学习心得分享l冯浩原中国科学院大学,计算机科学与技术,报名时大三l大四时在北京开源芯片研究院实习,成为“香山”团队的技术骨干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;.布图规划布局布线版图逻辑综合物理设计签核分析逻辑优化工艺映射布图规划全局布局合法化详细布局时序分析物理验证功耗分析形式化验证时钟树综合全局布线详细布线仿真验证RTL功能仿真器体系结构探索体系结构模拟器测试综合可测性设计测试生成故障诊断处理器预期指标开源芯片技术生态论坛（原“一生一芯”技术论坛）Session2:开源EDA8月25日14:00-15:15,北京市香格里拉饭店三层翡翠厅第六期“一生一芯”

24、火热报名中扫码或登录 ysyx.org 点击“立即参与”官方网站 ysyx.org五、“一生一芯”社区活动第六期新增入学大礼包l通过入学答辩，进入正式学习，获得入学大礼包一份！l内容丰富，专属于“一生一芯”正式学员入学大礼包“一生一芯”徽章定制文化衫一件定制双肩包一个“一生一芯”正式学员学号毕业成果l完成“一生一芯”学习，可获得芯片、板卡以及证书l随附毕业大礼包（具体内容待定）毕业收获板卡认证证书芯片积分兑换周边l参加志愿活动，积累积分，可兑换周边l大家可以发起提案，增加新的文化周边l提案被采纳后，有额外奖励可兑换周边（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”双

25、肩包更多周边陆续上线，尽请期待积分任务（部分）提议新的文化周边参与“一生一芯”调研问卷“一生一芯”官方录用文章“一生一芯”官方录用分享视频“一生一芯”官方录用报告视频“一生一芯”分享报告组织“一生一芯”巡回演讲完成B/A阶段学习的认证任务内容持续更新中（效果图）SIG小组 组队攻坚感兴趣的项目l已成立的SIG小组l高性能体系结构模拟器设计用于体系结构探索的模拟器l高性能RTL仿真器目标性能优于Verilatorl开源处理器核与外围IP为“一生一芯”SoC提供丰富功能l开源芯片数据集收集并运行现有的开源芯片项目,为开源EDA提供数据集l国际交流与翻译传播开源芯片国际最新动态l有想法但还没开设的S

26、IG小组(需要有组长)l看B站设计一颗可流畅看B站的开源处理器芯片l芯片上天与航天院所合作,学习设计高可靠的处理器芯片,所设计芯片产品有机会在轨验证!l二进制翻译在RISC-V处理器上玩windows游戏l 大家如果有新想法,可联系我们进行立项讨论,通过后可提供经费支持!开源芯片技术生态论坛（原“一生一芯”技术论坛）,Session3:“一生一芯”SIG小组8月25日15:15-15:40,北京市香格里拉饭店三层翡翠厅开源社区贡献 RVFA认证考试中文翻译苗金标段震伟刘汉章曹勋杨海帆曹世洋倪仁涛魏人陈璐粟金伦吴佳宾姓名学校/单位年级缪宇飏中科院计算所-(组长)苗金标中国科学技术大学研二段震伟中

27、国科学技术大学研三刘汉章太原理工大学大三曹勋中国科学技术大学研二杨海帆浙江工商大学大四曹世洋中国科学技术大学研二倪仁涛东北大学研一魏人兰州大学大四吴佳宾青岛大学研一陈璐中国科学院大学博一粟金伦太原理工大学大四原文和译文翻译小组斟酌用词缪宇飏月度报告和技术论坛l月度报告：7月开始，每月第一个周末，汇报项目进展，举行入学仪式等l技术论坛：每年组织 12次技术论坛（独立或联合其他主题）l活动预告：8月25日，开源芯片技术生态论坛（原“一生一芯”技术论坛）l地点：北京市香格里拉饭店三层翡翠厅l包含专家邀请报告，“一生一芯”技术分享等包老师报告第一届论坛大合影第一位高中生正式学员祝贺北京一零一中学的烟雨

28、松同学于2023年2月通过预学习答辩,成为“一生一芯”计划第一位进入正式学习的高中生！暑期夏令营活动及学员去向学习深造就业卡耐基梅隆大学北京开源芯片研究院佛罗里达大学华为海思香港科技大学比特大陆中科院计算所北京嘉楠捷思中科院微电子所北京微核芯清华大学进迭时空复旦大学中科院计算所南京大学鹏城国家实验室浙江大学.2022年6月-8月，“一生一芯”暑期夏令营地点：北京开源芯片研究院2023年度暑期夏令营l时间：7月8月，上海处理器技术创新中心l近距离认识芯片，高密度学习芯片姓名学校专业年级烟雨松北京一零一中-高三曾宇航东华理工大学计算机科学与技术大一张宇驰太原理工大学电气工程及其自动化大一袁永强西安

29、邮电大学电子信息工程大二潘岩哈尔滨工业大学计算机科学与技术大二孟沛电子科技大学软件工程大二王翩上海科技大学计算机科学与技术研零唐德宇中国科学技术大学软件工程研一丁旻昊中南大学电子科学与技术研一赵树钰中国科学技术大学软件工程研一烟雨松曾宇航张宇驰袁永强潘岩孟沛王翩唐德宇丁旻昊赵树钰开源芯片技术生态论坛（原“一生一芯”技术论坛）Session4:“一生一芯”技术分享8月25日16:00-17:20北京市香格里拉饭店三层翡翠厅“一生一芯”官网及公众号“一生一芯”公众号官方网站 ysyx.org对写文章、视频剪辑、新媒体运营感兴趣的同学欢迎加入宣传SIG小组发送简历：“一生一芯”校园行巡回演讲活动l2

30、023年3月至今，“一生一芯”深入校园，开展多场巡讲活动l秋季学期，我们的行程还会继续，尽情期待！l如果想邀请“一生一芯”去你的学校，欢迎同学们随时联系项目组l目前问题:开放式学习给予学生很大的自由度,但能坚持到最后的较少l期待与高校开展合作,共同探索时间巡讲学校巡讲内容3月19日北京工业大学宣讲4月13日北京科技大学宣讲+教学交流5月17日东北大学（秦皇岛分校）宣讲5月25日青岛大学宣讲+教学交流6月10日天津工业大学宣讲6月14日天津理工大学宣讲+教学交流6月16日太原理工大学宣讲更多活动正在排期中，欢迎同学们邀请5种可选的高校合作方案l方案一：社区方式l学校鼓励学生报名参加，按照“一生一

31、芯”项目组提供的教学方案学习l包括讲义、课件、视频、框架代码等l进入正式学习后，学生需每周向助教汇报学习进展助教可定期向教师反馈学生的学习情况l学校要求：无l方案二：社团方式/暑期班方式l学校开设社团/暑期班，召集感兴趣的学生参加并学习“一生一芯”l学校为本校学生提供线下场地，打造更好的学习氛围若有条件，可给予实习学分l“一生一芯”助教和学校中有经验的学长提供技术指导l教师提供学习方法指导l学校要求：提供场地，教师提供学习方法指导5种可选的高校合作方案(2)l方案三：案例方式l将“一生一芯”的部分教学案例和工具引入已有的理论课堂l在不大幅改动原有课程的情况下引入，作为补充l可与“一生一芯”项目

32、组讨论教学内容，共同探讨如何引入l学校要求：相关理论课程的任课教师了解“一生一芯”的知识点l方案四：实验方式l将“一生一芯”的部分实验内容引入已有的实验课堂l可与“一生一芯”项目组讨论教学内容，共同探讨如何引入l学校要求：相关实验课程的任课教师了解“一生一芯”的技术细节5种可选的高校合作方案(3)l方案五：课程方式l将“一生一芯”的教学内容作为一门新（选修）课程开设l作为系统能力系列课程的收官课l学校要求：任课教师了解“一生一芯”的大部分内容，需要若干学习过“一生一芯”的助教支撑课程的开设l高校可根据条件选择方案l从优秀的学生中选拔助教，辅助教师开展其他教学任务教学交流北京科技大学,2023.05关于教学内容讨论，可联系余子濠博士“一生一芯”计划l硅上教学：融合本科阶段EE和CS专业知识点的实践项目l战略意义：为攻关卡脖子领域培养人才，输送到企业和开源社区l公益培养：学习资源全公开，免费学习；在校生免费流片设计人生中的第一颗处理器芯片“一生一芯”公众号计算机系统与处理器芯片课程虚拟教研室官方网站ysyx.org