攻坚克难 自主创芯——计算机学院本科生自主设计的CPU处理器芯片再次成功流片

点击数:    |    加入时间:2024-07-08

北航新闻网7月8日电(通讯员 杨建磊)近日,计算机学院2020级本科生基于我国自主可控LoongArch指令集,协作设计并成功流片了两款CPU处理器芯片,不仅可运行计算机学院自主设计的MOS教学操作系统,同时还支持Linux 5.19以及复杂的多媒体音视频等应用软件,从而基于自主可控指令集实现了“在自己设计的CPU上运行自己的操作系统”的计算机系统能力教学改革目标。

Lain处理器芯片(左),EULA处理器芯片(右)

其中,Lain处理器主要侧重于验证多发射、乱序、多核等现代CPU主流微架构技术,而EULA处理器则侧重于验证芯片敏捷开发环境及其全流程设计支持。两颗CPU芯片具备完整的SoC与丰富的外设支持,均为一次流片成功。

3.png

自主设计用于芯片验证的单板“计算机”系统

芯片测试验证演示视频

虽然近年来我国处理器人才队伍建设有了长足进步,但仍然处于极度紧缺状态,始终是制约我国集成电路产业高质量发展的关键因素之一。计算机学院在国内率先提出“计算机系统能力”教学改革,针对本科生开发“CPU、操作系统、编译器”这一挑战性教学难题,确定了基于工业标准、工程规模和工程方法的“三工”教学准则。该项工作得到了国内高校的积极响应,目前已成为国内计算机专业教学改革的主要热点和人才培养重点。

经过持续的教学改革,计算机学院的本科生已经能够普遍开发出具有数十条指令的CPU。但受制于教学情况的局限性,同学们开发的CPU功能较为简单、完整性低,而且还只能运行在仿真器或FPGA上,与真正的CPU还有很大的差距。2019年,计算机学院决定组织本科生开发出真正的CPU芯片,从而实质性的提升系统能力培养层次。2020年,计算机学院与龙芯中科公司签署协议,正式启动了“北航-龙芯百芯计划”,以本科生开发和流片为目标导向,由计算机学院主导,联合集成电路学院、软件学院,共同探索与实践跨学院、跨学科、跨专业的交叉学科人才培养模式,为国家培养具备从CPU、操作系统、编译器到芯片实现等全流程能力的紧缺拔尖创新人才。2021年,计算机学院组织开展芯片设计全流程培训事宜,包括指令集架构、系统软件、芯片设计实现与验证等。2022年,计算机学院本科生田韵豪等同学成功流片基于MIPS指令集的CPU芯片,实现了我校本科生完整设计CPU并成功流片的历史性突破,并由此荣获了北京市优秀本科毕业设计(论文)。

2023年,面向我国LoongArch自主指令集,由杨建磊副教授与万寒副教授作为指导老师,组建了由2020级五位本科生(王哲、苏阳、郭鸿宇、周振源、王钧石)组成的CPU设计团队,开展处理器芯片的全流程设计探索,最终圆满完成Lain与EULA两款处理器芯片的流片工作。其中王哲负责Lain架构设计、多核处理器核心以及系统软件,苏阳负责SoC设计与流片实现,郭鸿宇负责EULA架构设计与体系结构模拟器,周振源负责乱序处理器核心探索,王钧石负责敏捷开发环境。

2023年至2024年,计算机学院在此基础上,联合集成电路学院、软件学院开展本科生团队毕设工作,汇聚了七位导师、九位同学,打造从LoongArch自主指令集开始,至SoC芯片架构设计、芯片实现与验证、操作系统、编译器、以及各类系统软件与应用的全流程设计实践,实现了国产自主可控处理器芯片设计能力的全栈式贯通。

对于我院本科生同学达到完整设计CPU并成功流片的成效,龙芯中科公司首席架构师汪文祥博士表示:“此次北航本科生芯片设计团队的表现再度令人瞩目,其中有三大亮点令人印象深刻。首先,团队完成了从CPU核心、SoC芯片的硬件前后端设计,直至操作系统、编译器乃至应用程序的软件开发任务,贯通了整个处理器芯片设计的技术栈,彰显出极高的完成度。其次,学生们面对全新的LoongArch自主指令集能够迅速掌握并有效运用,不仅展现了学生出色的个人学习能力,更充分证明了北航的教学实践体系对于计算机系统能力培养所发挥的重大推动作用。再有,本次芯片设计的圆满完成是一次多学院、跨学科协作的杰出实践,为多领域协同创新树立了有力的典范并带来了深刻的启示。”

历经两轮次的CPU芯片设计与流片实训,计算机学院积累了丰富的技术资料、完善的开发环境和宝贵的工程经验。后续,计算机学院拟将这些宝贵资源以开源方式向全国高校相关学科专业予以共享,使更多学校、专业以及同学也能开展同类工作,进而能够培育出更多具有创新精神和实践能力的芯片及系统技术人才,为我国的科技发展和产业升级持续注入动力。

(审核:李建欣)

编辑:贾爱平


打印
分享
更多新闻
07 月
03
07 月
08
07 月
08
07 月
08
07 月
08
07 月
08
北航首封2024级本科录取通知书送达

点击数:
加入时间:2024-07-08
07 月
08
07 月
07