又是一个午夜，错误究竟出在哪儿？一筹莫展之际，兰州大学信息科学与工程学院2019级本科生陆钇桦向“战友们”电话求助。待电话挂断，陆钇桦长舒一口气，时间已是凌晨3点。过去一年，这样的场景不知上演了多少次。

    近日，由兰州大学信息科学与工程学院“一生一芯一系统”本科生团队自主研发设计的同、异步混合架构的面向嵌入式的RISC-V处理器已经成功完成流片和回片，经初步测试，该芯片功能正常，完全达到设计的预期目标，可用于控制智能家电、医疗设备、汽车工业以及IoT控制器等场景。目前，该项目已在Gitee网站上开源，供全世界的芯片设计爱好者参考。

    “本科生都应该知道如何研发CPU”

    每周四、周五下午，在兰州大学城关校区飞云楼何安平副教授的实验室，70平方米的空间内，20多位“一生一芯一系统”项目第二期成员齐聚一堂。每到周末，他们还会在线上共同探讨项目进度，规划分配下一步工作。

    时间回溯到2020年，何安平在与其他高校的交流中了解到，部分高校正尝试带领本科生做一些CPU芯片研发工作。同一课程组的副教授周睿也认为，当前对计算机类人才的培养强调计算机系统能力，既要培养软件开发能力，也要加强对硬件的认识和理解。

    “随着我国芯片行业的发展变化，学院意识到无论是学习计算机软件还是硬件的本科生，都应该知道如何研发CPU，架通软硬件之间的桥梁，加强本科生计算机系统能力的培养。”信息科学与工程学院党委书记陈文波说。

    2021年6月，该院启动了“一生一芯一系统”研发项目。经过学生自主报名，第一期芯片研发项目共吸纳计算机类专业、电子信息类专业，以及物理学院微电子专业的7名本科生。

    “一定要做到最好”

    在一个6毫米的正方形包装里，内嵌着一个总面积为4.4平方毫米的小芯片。2022年12月，100多颗成功流片的嵌入式芯片来到兰州大学，命名为兰大RISC-V处理器1号。

    经过师生广泛阅读国内外优秀论文案例、反复讨论，团队决定做一款嵌入式CPU。嵌入式系统的开发离不开指令集架构，且嵌入式CPU通常基于ARM或MIPS等指令集架构设计，但是团队最终选择了RISC-V指令集。

    指令集架构是CPU设计的核心，CPU各个模块之间相互理解依赖于共同的指令集。CPU核、总线和外设三部分组合，构成了片上系统这一整体。CPU核是整个运算处理单元的核心，采用的是两级流水单发射架构，主要包括第一级流水模块、第二级流水模块和中断异常模块三部分。

    “这种两级流水架构相当于工厂中的流水线，每条指令都可以分为第一级流水和第二级流水两个阶段，且两级流水的电路能够同时执行不同的指令，有效提高了运算效率和电路的利用率。”陆钇桦介绍，总线上挂载了4个外设，数据通过总线在CPU核和外设之间进行传输。

    “大家不断进行验证测试，只想着一定要做到最好。”2019级本科生李勋说。

    这支本科生团队从零开始，经过一年的时间，一步一步完成了芯片架构制定、芯片代码设计、FPGA验证和ASIC实现等一系列芯片设计的全流程工作。2022年7月，采用联电110nm制程工艺的livp芯片顺利送往代工厂进行流片。2022年12月，livp芯片成功回片。

    “让所有学生都能参与进来”

    今年年初，“嵌入式系统原理及开发”课程组负责人王兆滨副教授带领大家对芯片各项功能进行了测试。为了方便测试，师生做了一个5cm×3.5cm的电路板。“单颗芯片是没有办法工作的，我们需要把芯片和外围电源、时钟等电路连接起来，这个电路板实际上就是维持芯片正常工作的一个最小系统。”连上电源，输入相关指令，便可使用相关仪器对芯片的输入输出信号进行检测。

    经过初步测试，该芯片的各项功能正常。一颗小小的芯片嵌入到电路板上，操作系统也即将被构建，“一生一芯一系统”项目的第一期工作接近尾声，兰州大学信息科学与工程学院对创新型计算机人才的培养也在加快步伐。

    “很多同学认为设计CPU是一个极难的工作，事实证明本科生完全有能力完成。这一项目最终的目的就是培养学生自主学习、问题解决、团队合作等一系列综合能力，继而推广，让所有学生都能参与进来是我们的目标。”陈文波说。

    2022级新生杨延睿也参与“一生一芯一系统”第二期的研发中，负责一小部分设计工作。“学长学姐们的专业水平很高，和他们一起学习研讨，我的成长速度很快。”他希望，自己能够做点了不起的事情，早日设计出属于自己的成果。