又是一個午夜，錯誤究竟出在哪兒？一籌莫展之際，蘭州大學信息科學與工程學院2019級本科生陸釔樺向“戰(zhàn)友們”電話求助。待電話掛斷，陸釔樺長舒一口氣，時間已是凌晨3點。過去一年，這樣的場景不知上演了多少次。

　　近日，由蘭州大學信息科學與工程學院“一生一芯一系統(tǒng)”本科生團隊自主研發(fā)設(shè)計的同、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)初步測試，該芯片功能正常，完全達到設(shè)計的預期目標，可用于控制智能家電、醫(yī)療設(shè)備、汽車工業(yè)以及IoT控制器等場景。目前，該項目已在Gitee網(wǎng)站上開源，供全世界的芯片設(shè)計愛好者參考。

　　“本科生都應該知道如何研發(fā)CPU”

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

　　時間回溯到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為，當前對計算機類人才的培養(yǎng)強調(diào)計算機系統(tǒng)能力，既要培養(yǎng)軟件開發(fā)能力，也要加強對硬件的認識和理解。

　　“隨著我國芯片行業(yè)的發(fā)展變化，學院意識到無論是學習計算機軟件還是硬件的本科生，都應該知道如何研發(fā)CPU，架通軟硬件之間的橋梁，加強本科生計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)�！毙畔⒖茖W與工程學院黨委書記陳文波說。

　　2021年6月，該院啟動了“一生一芯一系統(tǒng)”研發(fā)項目。經(jīng)過學生自主報名，第一期芯片研發(fā)項目共吸納計算機類專業(yè)、電子信息類專業(yè)，以及物理學院微電子專業(yè)的7名本科生。

　　“一定要做到最好”

　　在一個6毫米的正方形包裝里，內(nèi)嵌著一個總面積為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，命名為蘭大RISC-V處理器1號。

　　經(jīng)過師生廣泛閱讀國內(nèi)外優(yōu)秀論文案例、反復討論，團隊決定做一款嵌入式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�；贏RM或MIPS等指令集架構(gòu)設(shè)計，但是團隊最終選擇了RISC-V指令集。

　　指令集架構(gòu)是CPU設(shè)計的核心，CPU各個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核是整個運算處理單元的核心，采用的是兩級流水單發(fā)射架構(gòu)，主要包括第一級流水模塊、第二級流水模塊和中斷異常模塊三部分。

　　“這種兩級流水架構(gòu)相當于工廠中的流水線，每條指令都可以分為第一級流水和第二級流水兩個階段，且兩級流水的電路能夠同時執(zhí)行不同的指令，有效提高了運算效率和電路的利用率�！标戓悩褰榻B，總線上掛載了4個外設(shè)，數(shù)據(jù)通過總線在CPU核和外設(shè)之間進行傳輸。

　　“大家不斷進行驗證測試，只想著一定要做到最好�！�2019級本科生李勛說。

　　這支本科生團隊從零開始，經(jīng)過一年的時間，一步一步完成了芯片架構(gòu)制定、芯片代碼設(shè)計、FPGA驗證和ASIC實現(xiàn)等一系列芯片設(shè)計的全流程工作。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行流片。2022年12月，livp芯片成功回片。

　　“讓所有學生都能參與進來”

　　今年年初，“嵌入式系統(tǒng)原理及開發(fā)”課程組負責人王兆濱副教授帶領(lǐng)大家對芯片各項功能進行了測試。為了方便測試，師生做了一個5cm×3.5cm的電路板�！皢晤w芯片是沒有辦法工作的，我們需要把芯片和外圍電源、時鐘等電路連接起來，這個電路板實際上就是維持芯片正常工作的一個最小系統(tǒng)�！边B上電源，輸入相關(guān)指令，便可使用相關(guān)儀器對芯片的輸入輸出信號進行檢測。

　　經(jīng)過初步測試，該芯片的各項功能正常。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)”項目的第一期工作接近尾聲，蘭州大學信息科學與工程學院對創(chuàng)新型計算機人才的培養(yǎng)也在加快步伐。

　　“很多同學認為設(shè)計CPU是一個極難的工作，事實證明本科生完全有能力完成。這一項目最終的目的就是培養(yǎng)學生自主學習、問題解決、團隊合作等一系列綜合能力，繼而推廣，讓所有學生都能參與進來是我們的目標。”陳文波說。

　　2022級新生楊延睿也參與“一生一芯一系統(tǒng)”第二期的研發(fā)中，負責一小部分設(shè)計工作�！皩W長學姐們的專業(yè)水平很高，和他們一起學習研討，我的成長速度很快�！彼Ｍ约耗軌蜃鳇c了不起的事情，早日設(shè)計出屬于自己的成果。