集成電路（又稱“芯片”）是當今信息時代的重要組成部分，同時也是我國第一大進口產品。海關總署統計數據顯示，2023年集成電路的進口金額為3494億美元，遠超石油和鐵礦。同時，國產芯片在全球很多領域的市場占有率不足5%，很多關鍵核心技術被國外“卡脖子”，國家安全受到威脅。

造成上述問題的重要原因之一，是缺少芯片設計人才，尤其是高端芯片設計人才。這固然與過去多年中國芯片的產業環境有關，但也與國內高校的芯片人才培養方式密切相關。由于高端處理器芯片設計和生產成本不斷增加，相關技術難度不斷加大，目前只有極少數條件較好的大學和科研機構能夠從事這方面的研究。這導致相關人才數量非常有限，遠不能滿足國家對該領域高端人才的迫切需求。

為此，中國科學院大學計算機科學與技術學院超前布局，培養處理器芯片這一關鍵領域緊缺人才，聯合中國科學院計算技術研究所科研工程支撐團隊，于2019年8月啟動了“一生一芯”計劃。

    培養實踐型開放式大規模人才

為應對芯片人才培養中芯片設計門檻高、課程間關聯弱、實踐不足、學習坡度陡峭等挑戰，緩解我國芯片被“卡脖子”等形勢，“一生一芯”計劃實施了一種基于開源新賽道、貫通課程的實踐型開放式大規模人才培養模式。

選擇新的開源賽道。通過開源方式降低芯片人才培養門檻，具體包括基于開源指令集設計處理器、集成有關開源項目以及使用有關開源工具，同時鼓勵學生反哺開源社區，形成良性循環。

設計貫通計算機科學專業與電子信息工程專業課程的培養方案。一方面，打通軟件和硬件，讓學生深入理解計算機系統如何通過處理器、指令集、運行時環境、操作系統和庫函數，支撐應用程序的運行。另一方面，培養處理器芯片全鏈條設計能力，讓學生理解從體系結構設計、開發，到集成驗證、綜合、物理設計，最終生成可流片版圖的全過程。

發揮科教融合優勢。理論和實踐結合，將處理器芯片領域的前沿研究成果沉淀為教學內容，包括敏捷開發語言、敏捷測試方法和形式化驗證等，讓學生在設計處理器芯片的實踐過程中學會快速定位問題，并通過分析實測數據剖析處理器性能瓶頸，為迭代優化打下基礎。

設置分階段培養模式。將學習流程分為預學習、基礎、進階和專家共4個階段。其中，預學習階段的引入，幫助基礎欠缺學生查漏補缺，使他們能夠更順利地過渡到后續階段，從而降低學習坡度。此外，每個階段以小游戲作為處理器芯片設計的測試目標，充分激發學生的學習興趣。

“一生一芯”計劃不限學校、年級、專業、基礎，只要學生對處理器芯片設計感興趣，都能免費報名參加，并資助完成學習計劃的在校生免費流片。該計劃通過開放式教育，打破教育資源壁壘，加速培養我國處理器芯片緊缺人才。 

    打造芯片領域人才生態圈

截至目前，“一生一芯”計劃已實施6期，在多個方面取得了一定成效。

在培養質量方面，該計劃對學生的科研、實習和后續課程學習等方面都有很大幫助。例如，華南理工大學的曾同學提到，“一生一芯”貫通式培養方案指導他建立了對處理器和計算機系統的整體認識，幫助他快速理解芯片科研項目組成關系，同時能借鑒“一生一芯”實踐經驗快速解決問題。天津理工大學的祝同學、孫同學和曲同學在完成學習后進入某國產處理器芯片企業實習，工程師表示他們學到的知識技能與企業項目的需求高度契合。

近年來，還有很多高中生參加“一生一芯”計劃，并取得優秀的學習成果。2023年，北京一零一中學共組織約40名學生參加學習，有3名學生成為“一生一芯”計劃僅有的3名高中生正式學員。其中，煙同學的學習進度已接近流片指標，能力和素質達到“雙一流”建設高校大四學生的水平。

中國科學院計算所牽頭的開源高性能處理器“香山”項目，是該領域在開源賽道上的前沿項目。“一生一芯”計劃向“香山”團隊累計輸送18名人才，他們來自全國各地，完成學習后進入開源芯片項目，為攻關“卡脖子”領域作出重要貢獻。來自第一期計劃的5名學生，在本科畢業后加入“香山”團隊，已成為核心技術骨干和科研生力軍。

在人才培養出口方面，“一生一芯”計劃實現向“卡脖子”領域企業的人才輸送。完成學習并流片的應屆畢業生，一部分前往國內外知名高校或科研機構學習深造，開展芯片相關方向的研究工作，還有一部分進入領軍企業從事芯片方向的研發工作。

在組織流程方面，“一生一芯”計劃建立了大規模人才培養流程。計劃提出“讓學生指導學生”的指導方案，篩選一部分能力較好且學習熱情較高的學生擔任助教指導其他學生，成功解決了教師和工程師的數量無法隨培養規模線性增長的難題。隨著助教指導質量的提升，一名助教可指導更多學生學習。同時，通過分組學習機制充分調動線上助教的積極性，配合組會和答辯會等多種線上機制，加強與學生的交流和溝通。此外，該計劃還探索出寒暑期短期訓練營和長期訓練營兩種組織模式，以選拔人才和培養種子助教人選。

在社區建設方面，該計劃目前已建立7個相關興趣小組。小組主題分別為“高性能體系結構模擬器”“開源IP組件庫”“開源處理器核”“開源芯片數據集”“開源RTL仿真器”“國際交流和翻譯”和“學員成長追蹤”。其中，“國際交流和翻譯”小組參與了有關國際認證課程學習資料的漢化工作，學習資料已上線使用。同時，部分學生還參與了有關國際基金會虛擬內存工作組的研發和交流工作，推動有關標準規范的改進與完善。

在支撐技術方面，支撐團隊已完成可基本支持28納米流片的開源、有關工具和流程。開源子項目完成了數個慢速接口的開發；有關工具已完成邏輯綜合、物理設計、時序分析和功耗分析等工具的串鏈工作，并完成數顆測試芯片的流片，為有關開源工具進入“一生一芯”教學流程打下堅實的工程基礎。

    完善培養策略應對行業挑戰

在連續實施6期“一生一芯”計劃后，教學團隊也發現了若干待改進之處。一方面，隨著“香山”等前沿開源項目的發展，相關門檻也在逐漸提高，要求“一生一芯”項目組設計出過渡性質的教學方案，幫助學生在完成學習后順利過渡到真實的復雜項目中，包括高級體系結構知識、前沿科學論文的閱讀、來自工業界資深工程師的經驗指導等，以及這些知識技能在項目實戰中的應用。另一方面，根據相關高校反饋，盡管高校希望更多學生能適應并完成“一生一芯”計劃的學習，但還需要在前期提供更為循序漸進的教學指導，幫助學生順利從以教師講授為中心的課堂教學，逐漸過渡到以學生動手實踐為中心的項目實戰。這要求“一生一芯”項目組對基礎階段的學習內容進行調整和重組，從而更好地與當前高校教學中的課程對接。

當前，“一生一芯”計劃已實現立足北京、輻射全國，探索出一套新的大規模芯片人才培養體系，助力解決我國芯片人才短缺問題。然而，該計劃還在不斷改進和完善之中，并期待能進一步向全國其他高校推廣，形成課內課外、線上線下混合的教學方法與計算機系統方向人才培養模式，大幅擴大我國處理器芯片設計人才的培養規模，縮短人才從培養階段到投入科研和產業一線的周期，助力解決我國在計算機芯片領域面臨的“卡脖子”問題。

（作者余子濠系中國科學院計算技術研究所工程師，解壁偉系中國科學院計算技術研究所助理研究員，包云崗系中國科學院計算技術研究所副所長、中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長）

《中國教育報》2024年04月08日第6版