硬核！这些中学生竟然在学做芯片
［兴趣与潜能
科创与未来］
中学生有“芯”了！
在中科院计算所举办的
第一届“一生一芯”技术论坛上，
两名北京一零一中的高中生，
和大学生、硕士生、博士生同台，
汇报了“高中生芯片设计感想”，
赢得现场的热烈掌声和高度评价！
他们来自一零一中
英才学院和中科院计算所联手创建的
“芯片集成电路实验室”。
立足创新人才的早期培养，
培养兴趣、开发潜能、对接高端，
这群“初生牛犊”，
或许未来能解决“卡脖子”问题！
高中生也能参与
芯片设计 ！
创新
科技
驱动
“芯片从小抓起”的
一个成功案例
8月28日，在中国科学院计算技术研究所举办的第一届“一生一芯”技术论坛上，在一系列由本科生、硕士生和博士生为主体的报告发言代表中，两名穿着一零一校服的同学尤为显眼。
“一生一芯”技术论坛，以构建开源芯片生态为目标，旨在为学生构建交流平台，围绕“一生一芯”分享技术工具、学习经验和心得。
“当我汇报一零一中的芯片学习研究时，心情非常紧张。但是，我从台下那些大学学长的眼中，看到了赞赏的目光，自信就回来了！”黄益安同学说。
高三年级黄益安同学发言
黄益安和烟雨松同学汇报的主题是《一生一芯 一“芯”向前——高中生芯片设计感想》，报告表达了他们将芯片设计任务进行到底的决心，分享了在“一生一芯”项目中的学习过程以及收获感想。
汇报结束，全场响起热烈的掌声。“讲得不错！”中科院的主持老师评价，“这是‘芯片从小抓起’的一个成功案例！”
高三年级烟雨松同学发言
相比现场大学生们“RTL设计”“处理器的设计与优化”“基于‘一生一芯’的卷积神经网络部署方案”等专业主题的汇报，两位一零一同学的分享内容还显稚嫩，但他们接触芯片知识才不到半年，这次汇报让他们对未来充满信心。
报告宣讲
来自高端实验室和
芯片课程的支撑
两位同学的自信来自于一零一中学英才学院“芯片集成电路实验室”。2022年3月份，北京一零一中与中科院计算所联合建立了该实验室，通过衔接“一生一芯”芯片设计人才计划，为学生提供了全面的、丰富的芯片设计知识及科创项目资源。
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目前，英才学院“芯片集成电路实验室”的课程已分别面向初中阶段和高中阶段学生实施。与高校、科研院所培养专业应用人才的课程目标不同，一零一中的芯片课程定位于拔尖创新人才的早期培养，重在培养兴趣、开发潜能、对接高端发展。
在高中阶段，实验室开展面向芯片设计和计算机体系结构方向先导课程，可衔接 “一生一芯”芯片设计人才计划，为学生提供全面的、丰富的芯片设计知识及科创项目资源；采用导师制、课题式的培养模式，提高中学生发现问题、解决问题的能力，培养学生的批判性思维、勇于探究的科学创新精神，启迪学生对行业的深入思考。
在初中阶段，实验室开设普及性课程，通过系统课程，从进制、逻辑、组合逻辑、时序逻辑等集成电路必备知识入手，普及计算机组成中基本电路的理论和实现，尝试动手完成简单的CPU搭建。学生也可以使用图形化编程工具学习并提高编程能力，培养计算思维能力，并运用计算思维和编程能力解决经典的数学问题。
我的老师是中科院的硕导和博导
创新
科技
驱动
“太难了！为什么我的系统崩溃了10多次！”在“一生一芯”PA0实验中，烟雨松尝到了多次失败，他感觉系统在和自己对着干，虽然反复在虚拟机和真机中切换，但错误依然无法消除。
实在无法解决，烟雨松便在微信群里“呼叫”了自己的导师——中科院段震伟老师。
不一会儿，段老师发来了两个解决方案，详细讲解了问题出现的原因，解释说“这就像免疫细胞攻击自身一样”，深入浅出地回答了烟雨松的困惑。同时，段老师还带领他对比了两种解决方法的优劣，挑出“最优解”。
段老师在微信交流群中为学生答疑
“很感谢也很自豪，我的指导老师是中科院的资深专家，感觉他们回答我的问题，就像‘杀鸡用牛刀’！”烟雨松说。只要同学们在科研中遇到了问题，老师们都是第一时间回答，非常耐心地加以科学引导。
趁此机会，我们来认识一下实验室的导师们吧。
【中科院导师简介】
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包云岗
博士，研究员，现任中国科学院计算技术研究所副所长，中国科学院大学计算机学院副院长，中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长。主要研究领域为开源芯片与敏捷设计、数据中心体系结构等，带领团队在国内率先开展了一系列开源芯片实践。发表70余篇学术论文，包括ASPLOS、HPCA、ISCA、MICRO和Communication of the ACM等国际会议期刊。曾获“CCF-IEEE CS”青年科学家奖、共青团中央“全国向上向善好青年”等荣誉称号。
王元卓
博士、中国科学院计算技术研究所研究员、博士生导师，中科大数据研究院院长，中国计算机学会常务理事、中国计算机学会科普工委主任，中国科普作家协会副理事长，信息技术新工科产学研联盟大数据与智能计算工作委员会主任，曾获国家科技进步二等奖和5次省部级科技奖。从事大数据和人工智能相关的研究20余年，针对国家战略和产业发展需求，开展了大量前瞻式应用研究。主持国家级重要科研任务20余项，在领域内国际顶级期刊和会议发表论文200余篇，获授权发明专利70余项。科研之余，积极投身于科学传播和科学普及生态建设的工作，所出版的系列手绘科普图书《科幻电影中的科学》将复杂的科学变得通俗易懂，荣获“全国优秀科普作品”，并在2019 年被评为中国“十大科学传播人物”，2020年入选“最美科技工作者”。
卜东波
中科院计算所研究员，博士生导师，承担863、973、 NSFC，科技部重点研发计划等多项课题。研究兴趣包括，生物信息学（蛋白质结构预测、糖结构鉴定）、计算机算法，在Nature Communications、 NAR、AC、JPR、Bioinformatics、ISMB/RECOMB等发表论文100余篇，著有《算法讲义》；组织了小SIGMA数学特别兴趣组，对小学生讲授数学思维和计算思维，并与之合著《少儿计算思维养成记》。带领团队研制了“用人工智能技术辅助算法设计”的AIA系统，在经典排课等多个问题上实现了变“凭灵感设计算法”为“从数据学习出算法”；设计了蛋白质结构预测算法ProFOLD，性能超过AlphaFold，正努力赶超AlphaFold2。
孙晓明
中科院计算所研究员，量子计算实验室主任。主要研究领域为算法与复杂性、量子计算等。曾获首批优青、首批万人计划青年拔尖人才资助。目前担任CCF理论专委会主任，全国量子计算与测量标准化委员会委员。2013年获中国密码学会优秀青年奖，2012年获首批国家自然科学基金优秀青年基金资助，入选中组部首批青年拔尖人才支持计划。曾获清华大学“学术新人奖”、“青年教师教学优秀奖”、清华大学优秀博士论文一等奖、微软学者等荣誉。
李栋
博士，中科院计算技术研究所副研究员，中国计算机学会会员、IEEE会员、ACM会员。主要研究领域为操作系统和和边缘计算系统研究，参与完成了多项国家级科研项目，负责过国家重大专项子课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院计算所知识创新课题等多项课题的研究工作。近年来发表论文20余篇，申请和授权发明专利10余项。作为项目技术负责人，开展“故宫文遗监测”和“无锡智慧水利”等多个首创大规模物联网示范项目的系统研发工作。曾获清中国开放指令生态(RISC-V)联盟年度最佳生态贡献奖、中国科学院科技成果转化奖，International Open Benchmark Council AIOT技术创新奖等荣誉。
自主学习和工程师思维从小培养
创新
科技
驱动
“叮叮叮……”下午五点一放学，烟雨松的手机里就弹出多条微信消息：
“请问mac安装Ubuntu的话需要装实机嘛，还是用parallel装虚拟机就可以？”
原来是“一零一中‘一生一芯’解决方案群”里，李子昂同学遇到了难题。这个问题正好是烟雨松熟悉的，不到半小时，他就详细回答了李子昂的问题。
“互问互助”学习模式，是一零一中芯片项目组的同学们最有效的方式之一。平时，一零一中的物理孙越老师和中科院的专家老师一起，负责实验室里同学们的项目学习，她提倡同学们有问题，先自己思考、互助解决，如果解决不了了，再由她和中科院的专家老师来为大家解答。
“这培养了我自主解决问题的能力，锻炼了我的工程师思维！”黄益安同学认为，在参与“一生一芯”项目的过程中，不仅提高了他对于数字电路、微电子等方面的专业知识的自学能力，还提高了他的问题解决能力与学习规划能力。
在“英才学院芯片集成电路实验室”，同学们每隔2周会定期开展项目进度工作汇报。
每周，同学们会将自己“遇到的问题”“解决方案”“收获”详细地记录在学习记录单上。这有助于他们将大块任务分解为每天可执行的工作，更方便中科院的老师进行指导。
在这个项目中，没有“手把手”的教学，老师们鼓励学生通过探究性学习的方式，自己寻找资源、自主学习、自我探索地解决问题。
“我养成了寻找资源，阅读书籍和文档以及源代码的习惯，遇到问题总想着先自己找寻答案。”烟雨松同学说。在半年的学习中，他掌握了Verilog HDL硬件描述语言的使用方法，可以通过Verilog HDL编写加法器、乘法器、选择器、多路器的硬件描述代码并通过Verilator生成系统可执行的C文件。同时，对Ubuntu Linux CLI（命令行）的使用变得更加熟练，还学会了git，man等操作，并巩固了C/C++语言。
希望能“拿着自己的芯片毕业”
创新
科技
驱动
提起芯片，大多数人会觉得高不可攀。但在烟雨松同学的眼中，芯片研究在他未来的人生规划中，占据着十分重要的地位。烟雨松从小就对计算机十分感兴趣，这份兴趣一直延续到了中学。
热爱芯片的烟雨松十分重视数学，他认为拥有清晰的数学逻辑思维才能够在计算机领域走得更远。高一暑假，参加了清华大学丘成桐夏令营。高二第一学期，进入英才学院人工智能实验室（北大前沿计算），开始了为期一学期的人工智能学习；高二暑假入选了“北京大学全球精英人才A计划”，开始了更加深入的计算机基础理论、应用研究和前沿热点的学习。
烟雨松同学
凭着极致的探索欲与求知欲，烟雨松在芯片学习的道路上一往无前。
“虽然目前我们还没有得到成型的流片，但学生在这个过程中，每一步都走得非常扎实。他们自学了很多编程方面的书籍，自学能力超乎了我的想象。”孙越老师说。
半年来，尽管目前“英才学院芯片集成电路实验室”的同学们还没有搞出自己的芯片，但他们对未来的学习和芯片充满了信心！
通过项目学习，黄益安同学觉得打开了一扇新的窗户。“参与项目的过程，提高了我对于数字电路、微电子等方面的专业知识的自学能力，也培养了我自主解决问题的能力。”
黄益安同学
“这个项目激发了我对芯片设计的兴趣，我希望能‘拿着自己的芯片毕业’，在大学继续拓宽自己的视野，尽自己最大的一份力量给人类社会做出贡献！”烟雨松同学说。
黄益安和烟雨松同学在这个实验室里的学习，证明了：高中生也能学做芯片！中学开设芯片课程，不仅可以加速培养处理器芯片人才，更有可能推动新兴的开源芯片（RISC-V）在中国的发展。
END
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撰稿：孙越 付鹂娟
审核：陈争
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