又是一個(gè)午夜，錯(cuò)誤究竟出在哪兒？一籌莫展之際，蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2019級(jí)本科生陸釔樺向“戰(zhàn)友們”電話求助。待電話掛斷，陸釔樺長舒一口氣，時(shí)間已是凌晨3點(diǎn)。過去一年，這樣的場(chǎng)景不知上演了多少次。

　　近日，由蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院“一生一芯一系統(tǒng)”本科生團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的同、異步混合架構(gòu)的面向嵌入式的RISC-V處理器已經(jīng)成功完成流片和回片，經(jīng)初步測(cè)試，該芯片功能正常，完全達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，可用于控制智能家電、醫(yī)療設(shè)備、汽車工業(yè)以及IoT控制器等場(chǎng)景。目前，該項(xiàng)目已在Gitee網(wǎng)站上開源，供全世界的芯片設(shè)計(jì)愛好者參考。

　　“本科生都應(yīng)該知道如何研發(fā)CPU”

　　每周四、周五下午，在蘭州大學(xué)城關(guān)校區(qū)飛云樓何安平副教授的實(shí)驗(yàn)室，70平方米的空間內(nèi)，20多位“一生一芯一系統(tǒng)”項(xiàng)目第二期成員齊聚一堂。每到周末，他們還會(huì)在線上共同探討項(xiàng)目進(jìn)度，規(guī)劃分配下一步工作。

　　時(shí)間回溯到2020年，何安平在與其他高校的交流中了解到，部分高校正嘗試帶領(lǐng)本科生做一些CPU芯片研發(fā)工作。同一課程組的副教授周睿也認(rèn)為，當(dāng)前對(duì)計(jì)算機(jī)類人才的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，既要培養(yǎng)軟件開發(fā)能力，也要加強(qiáng)對(duì)硬件的認(rèn)識(shí)和理解。

　　“隨著我國芯片行業(yè)的發(fā)展變化，學(xué)院意識(shí)到無論是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件還是硬件的本科生，都應(yīng)該知道如何研發(fā)CPU，架通軟硬件之間的橋梁，加強(qiáng)本科生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。”信息科學(xué)與工程學(xué)院黨委書記陳文波說。

　　2021年6月，該院啟動(dòng)了“一生一芯一系統(tǒng)”研發(fā)項(xiàng)目。經(jīng)過學(xué)生自主報(bào)名，第一期芯片研發(fā)項(xiàng)目共吸納計(jì)算機(jī)類專業(yè)、電子信息類專業(yè)，以及物理學(xué)院微電子專業(yè)的7名本科生。

　　“一定要做到最好”

　　在一個(gè)6毫米的正方形包裝里，內(nèi)嵌著一個(gè)總面積為4.4平方毫米的小芯片。2022年12月，100多顆成功流片的嵌入式芯片來到蘭州大學(xué)，命名為蘭大RISC-V處理器1號(hào)。

　　經(jīng)過師生廣泛閱讀國內(nèi)外優(yōu)秀論文案例、反復(fù)討論，團(tuán)隊(duì)決定做一款嵌入式CPU。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)離不開指令集架構(gòu)，且嵌入式CPU通常基于ARM或MIPS等指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)，但是團(tuán)隊(duì)最終選擇了RISC-V指令集。

　　指令集架構(gòu)是CPU設(shè)計(jì)的核心，CPU各個(gè)模塊之間相互理解依賴于共同的指令集。CPU核、總線和外設(shè)三部分組合，構(gòu)成了片上系統(tǒng)這一整體。CPU核是整個(gè)運(yùn)算處理單元的核心，采用的是兩級(jí)流水單發(fā)射架構(gòu)，主要包括第一級(jí)流水模塊、第二級(jí)流水模塊和中斷異常模塊三部分。

　　“這種兩級(jí)流水架構(gòu)相當(dāng)于工廠中的流水線，每條指令都可以分為第一級(jí)流水和第二級(jí)流水兩個(gè)階段，且兩級(jí)流水的電路能夠同時(shí)執(zhí)行不同的指令，有效提高了運(yùn)算效率和電路的利用率。”陸釔樺介紹，總線上掛載了4個(gè)外設(shè)，數(shù)據(jù)通過總線在CPU核和外設(shè)之間進(jìn)行傳輸。

　　“大家不斷進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，只想著一定要做到最好。”2019級(jí)本科生李勛說。

　　這支本科生團(tuán)隊(duì)從零開始，經(jīng)過一年的時(shí)間，一步一步完成了芯片架構(gòu)制定、芯片代碼設(shè)計(jì)、FPGA驗(yàn)證和ASIC實(shí)現(xiàn)等一系列芯片設(shè)計(jì)的全流程工作。2022年7月，采用聯(lián)電110nm制程工藝的livp芯片順利送往代工廠進(jìn)行流片。2022年12月，livp芯片成功回片。

　　“讓所有學(xué)生都能參與進(jìn)來”

　　今年年初，“嵌入式系統(tǒng)原理及開發(fā)”課程組負(fù)責(zé)人王兆濱副教授帶領(lǐng)大家對(duì)芯片各項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試。為了方便測(cè)試，師生做了一個(gè)5cm×3.5cm的電路板。“單顆芯片是沒有辦法工作的，我們需要把芯片和外圍電源、時(shí)鐘等電路連接起來，這個(gè)電路板實(shí)際上就是維持芯片正常工作的一個(gè)最小系統(tǒng)。”連上電源，輸入相關(guān)指令，便可使用相關(guān)儀器對(duì)芯片的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

　　經(jīng)過初步測(cè)試，該芯片的各項(xiàng)功能正常。一顆小小的芯片嵌入到電路板上，操作系統(tǒng)也即將被構(gòu)建，“一生一芯一系統(tǒng)”項(xiàng)目的第一期工作接近尾聲，蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)也在加快步伐。

　　“很多同學(xué)認(rèn)為設(shè)計(jì)CPU是一個(gè)極難的工作，事實(shí)證明本科生完全有能力完成。這一項(xiàng)目最終的目的就是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、問題解決、團(tuán)隊(duì)合作等一系列綜合能力，繼而推廣，讓所有學(xué)生都能參與進(jìn)來是我們的目標(biāo)。”陳文波說。

　　2022級(jí)新生楊延睿也參與“一生一芯一系統(tǒng)”第二期的研發(fā)中，負(fù)責(zé)一小部分設(shè)計(jì)工作。“學(xué)長學(xué)姐們的專業(yè)水平很高，和他們一起學(xué)習(xí)研討，我的成長速度很快。”他希望，自己能夠做點(diǎn)了不起的事情，早日設(shè)計(jì)出屬于自己的成果。