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培养高端芯片设计人才
发布时间:2024-4-8  文章来源:中国教育报  网络编辑:admin(管理员)  浏览次数:126

集成电路(又称“芯片”)是当今信息时代的重要组成部分,同时也是我国第一大进口产品。海关总署统计数据显示,2023年集成电路的进口金额为3494亿美元,远超石油和铁矿。同时,国产芯片在全球很多领域的市场占有率不足5%,很多关键核心技术被国外“卡脖子”,国家安全受到威胁。

造成上述问题的重要原因之一,是缺少芯片设计人才,尤其是高端芯片设计人才。这固然与过去多年中国芯片的产业环境有关,但也与国内高校的芯片人才培养方式密切相关。由于高端处理器芯片设计和生产成本不断增加,相关技术难度不断加大,目前只有极少数条件较好的大学和科研机构能够从事这方面的研究。这导致相关人才数量非常有限,远不能满足国家对该领域高端人才的迫切需求。

为此,中国科学院大学计算机科学与技术学院超前布局,培养处理器芯片这一关键领域紧缺人才,联合中国科学院计算技术研究所科研工程支撑团队,于2019年8月启动了“一生一芯”计划。

培养实践型开放式大规模人才

为应对芯片人才培养中芯片设计门槛高、课程间关联弱、实践不足、学习坡度陡峭等挑战,缓解我国芯片被“卡脖子”等形势,“一生一芯”计划实施了一种基于开源新赛道、贯通课程的实践型开放式大规模人才培养模式。

选择新的开源赛道。通过开源方式降低芯片人才培养门槛,具体包括基于开源指令集设计处理器、集成有关开源项目以及使用有关开源工具,同时鼓励学生反哺开源社区,形成良性循环。

设计贯通计算机科学专业与电子信息工程专业课程的培养方案。一方面,打通软件和硬件,让学生深入理解计算机系统如何通过处理器、指令集、运行时环境、操作系统和库函数,支撑应用程序的运行。另一方面,培养处理器芯片全链条设计能力,让学生理解从体系结构设计、开发,到集成验证、综合、物理设计,最终生成可流片版图的全过程。

发挥科教融合优势。理论和实践结合,将处理器芯片领域的前沿研究成果沉淀为教学内容,包括敏捷开发语言、敏捷测试方法和形式化验证等,让学生在设计处理器芯片的实践过程中学会快速定位问题,并通过分析实测数据剖析处理器性能瓶颈,为迭代优化打下基础。

设置分阶段培养模式。将学习流程分为预学习、基础、进阶和专家共4个阶段。其中,预学习阶段的引入,帮助基础欠缺学生查漏补缺,使他们能够更顺利地过渡到后续阶段,从而降低学习坡度。此外,每个阶段以小游戏作为处理器芯片设计的测试目标,充分激发学生的学习兴趣。

“一生一芯”计划不限学校、年级、专业、基础,只要学生对处理器芯片设计感兴趣,都能免费报名参加,并资助完成学习计划的在校生免费流片。该计划通过开放式教育,打破教育资源壁垒,加速培养我国处理器芯片紧缺人才。

打造芯片领域人才生态圈

截至目前,“一生一芯”计划已实施6期,在多个方面取得了一定成效。

在培养质量方面,该计划对学生的科研、实习和后续课程学习等方面都有很大帮助。例如,华南理工大学的曾同学提到,“一生一芯”贯通式培养方案指导他建立了对处理器和计算机系统的整体认识,帮助他快速理解芯片科研项目组成关系,同时能借鉴“一生一芯”实践经验快速解决问题。天津理工大学的祝同学、孙同学和曲同学在完成学习后进入某国产处理器芯片企业实习,工程师表示他们学到的知识技能与企业项目的需求高度契合。

近年来,还有很多高中生参加“一生一芯”计划,并取得优秀的学习成果。2023年,北京一零一中学共组织约40名学生参加学习,有3名学生成为“一生一芯”计划仅有的3名高中生正式学员。其中,烟同学的学习进度已接近流片指标,能力和素质达到“双一流”建设高校大四学生的水平。

中国科学院计算所牵头的开源高性能处理器“香山”项目,是该领域在开源赛道上的前沿项目。“一生一芯”计划向“香山”团队累计输送18名人才,他们来自全国各地,完成学习后进入开源芯片项目,为攻关“卡脖子”领域作出重要贡献。来自第一期计划的5名学生,在本科毕业后加入“香山”团队,已成为核心技术骨干和科研生力军。

在人才培养出口方面,“一生一芯”计划实现向“卡脖子”领域企业的人才输送。完成学习并流片的应届毕业生,一部分前往国内外知名高校或科研机构学习深造,开展芯片相关方向的研究工作,还有一部分进入领军企业从事芯片方向的研发工作。

在组织流程方面,“一生一芯”计划建立了大规模人才培养流程。计划提出“让学生指导学生”的指导方案,筛选一部分能力较好且学习热情较高的学生担任助教指导其他学生,成功解决了教师和工程师的数量无法随培养规模线性增长的难题。随着助教指导质量的提升,一名助教可指导更多学生学习。同时,通过分组学习机制充分调动线上助教的积极性,配合组会和答辩会等多种线上机制,加强与学生的交流和沟通。此外,该计划还探索出寒暑期短期训练营和长期训练营两种组织模式,以选拔人才和培养种子助教人选。

在社区建设方面,该计划目前已建立7个相关兴趣小组。小组主题分别为“高性能体系结构模拟器”“开源IP组件库”“开源处理器核”“开源芯片数据集”“开源RTL仿真器”“国际交流和翻译”和“学员成长追踪”。其中,“国际交流和翻译”小组参与了有关国际认证课程学习资料的汉化工作,学习资料已上线使用。同时,部分学生还参与了有关国际基金会虚拟内存工作组的研发和交流工作,推动有关标准规范的改进与完善。

在支撑技术方面,支撑团队已完成可基本支持28纳米流片的开源、有关工具和流程。开源子项目完成了数个慢速接口的开发;有关工具已完成逻辑综合、物理设计、时序分析和功耗分析等工具的串链工作,并完成数颗测试芯片的流片,为有关开源工具进入“一生一芯”教学流程打下坚实的工程基础。

完善培养策略应对行业挑战

在连续实施6期“一生一芯”计划后,教学团队也发现了若干待改进之处。一方面,随着“香山”等前沿开源项目的发展,相关门槛也在逐渐提高,要求“一生一芯”项目组设计出过渡性质的教学方案,帮助学生在完成学习后顺利过渡到真实的复杂项目中,包括高级体系结构知识、前沿科学论文的阅读、来自工业界资深工程师的经验指导等,以及这些知识技能在项目实战中的应用。另一方面,根据相关高校反馈,尽管高校希望更多学生能适应并完成“一生一芯”计划的学习,但还需要在前期提供更为循序渐进的教学指导,帮助学生顺利从以教师讲授为中心的课堂教学,逐渐过渡到以学生动手实践为中心的项目实战。这要求“一生一芯”项目组对基础阶段的学习内容进行调整和重组,从而更好地与当前高校教学中的课程对接。

当前,“一生一芯”计划已实现立足北京、辐射全国,探索出一套新的大规模芯片人才培养体系,助力解决我国芯片人才短缺问题。然而,该计划还在不断改进和完善之中,并期待能进一步向全国其他高校推广,形成课内课外、线上线下混合的教学方法与计算机系统方向人才培养模式,大幅扩大我国处理器芯片设计人才的培养规模,缩短人才从培养阶段到投入科研和产业一线的周期,助力解决我国在计算机芯片领域面临的“卡脖子”问题。




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