让芯片人才破“壳”而出

“一生一芯”计划负责人、中国科学院大学计算机科学与技术学院副院长包云岗在介绍学生设计的芯片。学校供图

一粒砂石，必须经过最严格加工，才能淬炼为一枚芯片。

提纯，砂子在1200摄氏度的高温里进行眼花缭乱的化学反应；切割，闪现寒光的金刚石锯将单晶硅棒切为0.5毫米的薄片；光刻，光源以每秒数万次的频率在纳米尺度上搭建晶体管组成的宏大“城市”。

一名学生，必须经过最严格的训练，才能成长为合格的芯片设计工程师。

课程，讲授基本理论和方法；设计，集齐各种软硬件供学生取用；工厂，拿出宝贵产能将设计方案变为真正的芯片。

2019年8月，中国科学院大学启动“一生一芯”计划，依托以“科教融合”为特色的计算机系统领域教育、科研及人才“三位一体”培养体系，凿通教育链、产业链、资金链，培养面向未来自主可控的信息技术体系的领军人才。4年来，完整执行学习计划的学生，从“小白”成长为可以设计、制造芯片的人才，与变成芯片的砂石一起破“壳”而出。

“带着自己设计的芯片毕业”

“华为在国内找不到处理器芯片设计人才的情况，是意料之中的。”2019年，得知华为遭受制裁，中国科学院大学计算机科学与技术学院副院长、中国科学院计算技术研究所副所长包云岗如是感慨。

华为的困局与国内芯片产业、教育环境密切相关。“当时，国内开展处理器芯片设计相关教学与研究的大学不多，学生学、用落差巨大。处理器芯片从设计到制造的产业链条漫长，涉及软硬件协调、多学科交叉，高校日常教学往往只涉及个别环节，很多学生直到毕业都以为做芯片就是写代码。”包云岗说。

一连串短板效应的传递，最后就是中国优秀处理器芯片人才储备严重不足。内外严峻形势下，面向未来科技和产业布局，必须大幅提高人才培养质量和效率。

秉承“科研为国分忧、创新与民造福”的理念，循着“设计一种新的教学体系，降低芯片设计门槛，让学生能设计自己的芯片并成功流片”的思路，在中国科学院大学和中国科学院计算技术研究所的大力支持下，由孙凝晖院士部署，包云岗团队牵头设计并组织实施了“一生一芯”计划。

“计划的目标非常明确，即突破传统课程的边界，构建一套软硬件协同、打通前后端全链条的处理器芯片教学流程，提高我国处理器芯片设计人才培养质量，缩短人才从培养阶段到投入科研与产业一线的周期，培养更多紧缺的芯片人才。”包云岗说。

“一生一芯”计划于2019年8月启动。首批参与的学生，是5名本科生。包云岗明确告诉他们，这是一个崭新的教学计划，会耗费参与者大量时间和精力，前路未知，“你们是否愿意当小白鼠？”

5人无一拒绝。

事实证明，5名本科生和教学团队一起蹚出了一条路。在“引导学生找思路，而非帮学生解决Bug”的教学思路下，当年12月，经过4个月高强度的开发工作，学生的处理器芯片设计版图正式提交厂家。次年4月，芯片成品返回，测试结果基本正常。通过技术答辩后，5名本科生实现了“带着自己设计的处理器芯片毕业”的目标。

“一生一芯”计划，走得通！

迄今，“一生一芯”计划已历6期，规模逐步放大。为了应对大规模芯片人才培养的挑战，教师解壁伟提出“让学生指导学生”，在学习的学生中遴选助教，指导新报名的学生学习。为了集聚更多有志于芯片设计的各高校学生，在助教团队的支撑下，通过举办暑期班、送课上门等方式，“一生一芯”计划已在中国科学院大学实践经验的基础上向全国辐射，覆盖高校从1所扩大到300余所，报名人数从首期的5人到第6期的2000余人，6期累计报名已超6000人。不仅高校，华为、长城汽车等企业也送相关技术人员参与课程学习，“一生一芯”计划逐渐成为全国芯片设计人才培养的大平台。

成功秘诀是“开源、共享”

“一生一芯”计划何以取得初步成功？

“开源、共享。”没有迟疑，包云岗给出答案。

包云岗多次提到计划“覆盖高校从1所扩大到300余所”这一事实，“从一开始，我们团队就希望能将这门课程向全国高校的学生开放”。

团队的愿景，基于国内相关专业教学的困境。

放眼全国高校，依据传统教材进行条块分割、远离产业的教学，依然是常态。希望快速地大规模进行教学迭代，并非易事，多数高校也并不具备打通课堂、产业链条的能力。比如，学生设计的芯片拿去流片，必须借助芯片制造厂商的力量。背靠中国科学院大学和中国科学院计算技术研究所的平台，团队教师只花了几天就谈好合作，但这对一些专业背景相对缺乏的地方院校来说，却很难做到。

在工厂产线流片，资金也是问题。“我们学校有配套政策提供资金，鼓励教师团队开展创新尝试。”中国科学院大学党委常务副书记、副校长王艳芬说。在中国科学院大学和其他支撑单位的支持下，团队顺利开展流片工作。再加上一些企业提供的经费支持，团队顺利和相关厂商达成意向。

“我们有这么好的条件，是不是应该站出来做一些事情？”团队成员心中充满执念。

因为“开源、共享”，教育链、产业链、资金链的能量得以汇聚；也因为“开源、共享”，“一生一芯”成为面向全国学生无偿开放的教学计划。

“经过主讲老师余子濠的努力，我们积累了26万字的讲义、超过40小时的教学视频，不限高校、专业和年级，提供给所有感兴趣的学生。”包云岗说。

余子濠时常到各地高校宣讲“一生一芯”计划。令他欣慰的是看到很多非“双一流”建设高校学生眼中的光芒，“他们平时不容易接触到这些学习资源，但对计算机和芯片充满热爱。我们提供的课程，让他们有了施展才华的平台”。

在2023年8月结束的第七届全国大学生计算机系统能力培养大赛（龙芯杯）上，来自地方院校的“一生一芯”计划学员王晨宇斩获个人赛总决赛一等奖。“‘一生一芯’对我的影响是全方位的，它让我接触到之前难以想象的资源，助我全方位成长。”王晨宇说。

助教对学生的指导也是一种“共享”。“能把自己所学的知识经验分享给其他同学，引导他们在自己思考的基础上不断深入探索并提出新想法，是一件非常有成就感的事情。”既是第6期学员也是第6期助教的缪宇飏说。

“一生一芯”作为一个实践型的人才培养计划，技术支撑是学生开展学习的关键。第3期学员陈璐在学习过程中为项目移植了若干系统软件，“看到现在的同学还在使用我两年前移植的代码，心里充满了成就感。”她说。

随着越来越多来自全国各高校的学生参与到“一生一芯”计划中，团队也收到了更多来自学生提交的代码补丁和其他反馈。学生在“一生一芯”计划中获得成长，然后反哺“一生一芯”计划，这也充分体现“一生一芯”计划“开源、共享”的属性。

在包云岗看来，“一生一芯”计划在一定程度上打破了计算机专业教育资源不平衡的壁垒。“中国有上千所普通地方院校，其实每所高校都有一些很有潜力的芯片人才。”包云岗说，“如果能全部发挥他们的天赋，对中国处理器芯片的人才储备来说，意义重大。”

“学生表现出的战斗力是惊人的”

“一生一芯”计划瞄准的处理器芯片，其设计基于开源指令集。

这是包云岗团队的有意选择。他们希望，这是一步具有战略意义的“先手棋”。

指令集是计算机软硬件生态运行的逻辑基础。两家国际计算机巨头公司的指令集手册分别有5000页和2700页之巨。庞大繁杂的手册，是数以万计的工程师数十年的智慧结晶，是当代社会生产生活运行的基石。

然而，是基石，也是围墙。

“你能想象，全世界所有的螺钉螺母，需要一家公司来授权生产规格吗？”包云岗说，“这么荒谬的事，却发生在计算机领域。”

巨头是指令集的创造者，也是垄断者。包括处理器芯片在内，外界基于指令集研发软硬件，必须支付高昂的专利费用。“开源、共享”被视为计算机时代的圭臬，它却建立在封闭之上。

和包云岗一样，近年来，国际上学界、业界无法忍受现状的声音越来越多。一种新的开源指令集RISC-V应运而生，这相当于由各方协商制定出行业标准，然后各企业依据标准生产产品。

这或将成为下一代处理器芯片的研发方向。各主要国家均已开展相关研究和产业布局。

从这个角度说，“一生一芯”计划培养的学生，将在未来的变革浪潮中大显身手。

包云岗对此很有信心。“一生一芯”计划首批5名本科生，全部加入中国自主研发的开源高性能RISC-V处理器“香山”的研发团队，并成为技术骨干。

后续几期成功流片的学生，其深造和就业去向也令人鼓舞。“学生表现出来的战斗力是惊人的。等到他们30岁时，就可以说已经是处理器芯片和计算机系统设计领域的‘老兵’了。”包云岗说。

时间回到2019年8月。“一生一芯”计划启动的那天，正是北京闷热的夏日。大家齐聚包云岗的办公室，有人穿着短裤，有人趿着拖鞋。在十分不严肃的氛围中，他们开始了一项严肃的探索。

此后的时光里，6期计划陆续执行。4年来，共计600余名学生通过“一生一芯”计划不同阶段的能力考核学习完全部课程，100余名学生成功流片。其间，他们经历了自我怀疑与否定，在黑夜里苦苦探索问题的解决方案。在山重水复疑无路的痛苦中，他们于不知不觉间，轻舟已过万重山。

包云岗手机里珍藏着一段视频，那是学生拿到自己设计的芯片后进行测试的画面。每名学生都记录下芯片“点亮”的瞬间，显示器上，出现最多的画面是“一生一芯”的标志，和显眼的“谢谢”。

作者：本报记者 张晨 高毅哲

《中国教育报》2024年04月10日第1版

来源： 中国教育报

特稿丨让芯片里长出“器官”，成了！

科技日报记者 金凤

“在这块巴掌大小的高分子材料里，我们借助3D打印、纳米加工等技术，盖出模拟人体环境的‘房子’，将人源细胞或干细胞注入其中，再给‘房子’输送氧气、培养液。两三周后，就能在‘房子’里得到模拟人类器官组织的跳动的心脏、代谢的肝脏、呼吸的肺……”

10月11日，接受科技日报记者采访时，东南大学教授顾忠泽手捧一块器官芯片娓娓道来。

顾忠泽团队研发的器官芯片。

器官芯片，不仅“涵养”着人体细胞组织，也承载着人类对药物研发的希望和对生命健康的求索。由于具有人源性、成本低、培养周期短等特性，器官芯片可以作为人体组织的“替身”接受药物实验，从而加速药物研发进程，为精准医疗提供解决方案。

灵感源自一篇科研论文

在顾忠泽团队研发的众多器官芯片中，人工血管芯片近期用于神舟十五号航天员在轨实验操作。这不仅是我国首次在空间站在轨实施的器官芯片项目，也是国际上首例人工血管组织芯片研究。

为了这项探索，中国航天员科研训练中心和顾忠泽团队协同攻关，迭代制作出了可对抗失重、强振、气压变化，并保持血管长期活力的人工血管芯片。

太空血管器官芯片。

器官芯片的雏形，始于21世纪初。2011年，美国成立了微生理系统联盟，启动器官芯片研发，希望用其替代动物进行药物测试。

那时，顾忠泽正处于职业生涯“瓶颈期”，偶然间读到的一篇关于器官芯片的研究论文，为他打开了一扇窗。

“器官芯片不仅可用于评估相关药物对人体的有效性，还可以针对环境中的有毒、有害物质进行评价。”一个隐约的科研梦想由此在顾忠泽心里萌生。

2012年起，顾忠泽带领团队开始摸索器官芯片的相关技术。但现实比梦想“骨感”得多，时任生物电子学国家重点实验室主任的顾忠泽回忆：“当时这项研究很前沿，大家对其最新进展和应用前景都不了解，有不少研究者望而却步。但一番评估后，我们还是决定在实验室内部立项，支持试制肝脏芯片、心脏芯片、皮肤芯片，开展器官芯片各方面技术的预研。”

团队成员、东南大学副研究员陈早早介绍，相较于动物试验，器官芯片特色明显：“首先，构建一个动物疾病模型一般需要3至6个月，甚至数年，但制造一个器官芯片一般仅需两三周；其次，一只模式动物一般只能做一种药物试验，而一个器官芯片上多则有几百上千个独立测试的单元，可以进行几种或几十种药物的多浓度试验；另外，器官芯片由人体细胞组织构成，和人体对药物及病原体的反应高度一致。”

让细胞沿着“脚手架”生长

如何让人体细胞在体外也能像在体内一样舒适健康地生长，最终从结构到功能都接近于真实的器官？

团队迎难而上。

“最初做心脏芯片时，体外培育的心脏细胞往往会向各个方向生长，细胞的跳动状态也各不相同，形不成‘迷你’心脏，每次实验构建的心脏芯片差异也很大。”陈早早还记得最初试验时的曲折。

“能不能搭建一个‘脚手架’，让细胞沿着‘脚手架’向同一个方向生长？”此前生物材料领域的学术积淀启发了顾忠泽。

顾忠泽与团队工作人员在研讨器官芯片技术难点和改进方案（右为顾忠泽）。

3年里，他带着团队不断尝试各种技术研究后发现，利用静电纺丝技术编织的纳米纤维可让细胞沿着纤维纹路生长，团聚得更接近人体器官，且易量产、成本低。

“虽然理论可行，但最初纺出的纳米纤维往往会结滴。”陈早早说。

为了解决这个难题，从2019年起，研究团队每天在不同的电压和相差几十摄氏度的温度区间，对不同的纳米材料进行配比，再将纳米材料与十几种培养液融合，以确保纺出的纳米纤维均匀、不黏连。

调试了近千种配方后，他们终于得到了质量稳定、统一、均匀的细胞外支架。

陈早早记得，那段日子，大家每天天不亮就钻进实验室，等下班时，又入夜了。

细胞外支架的搭建，只是统一了细胞的生长方向。细胞在芯片里生长，还需要氧气和营养液。

“既然人体有血管，能否为体外细胞搭建仿生血管，用仿生血管为细胞输送营养？”思考了很长时间，顾忠泽灵光乍现。

顺着这种思路，团队开始研制高精度打印机。他们在一个个直径不到1毫米的迷你器官里，构造仿生血管，又在仿生血管上“雕刻”孔径为800纳米至2微米的小孔，让营养液通过小孔渗透到细胞中，细胞还不能穿过小孔“溜走”。说起研发过程的艰辛，顾忠泽打了一个比方——“其难度堪比在芝麻粒里雕刻万里长城”。

敲开市场应用之门

经过数年前沿技术验证和产品研发，研究团队在高精度跨尺度三维打印、功能性细胞外支架材料、细胞力成像、人工智能算法等关键核心技术环节取得了较大进展。

在做出心脏芯片、血管芯片、肝脏芯片、肿瘤芯片、肺芯片的雏形后，2021年，该团队在东南大学、江苏省产业技术研究院和苏州高新区的支持下，成立了江苏艾玮得生物科技有限公司（以下简称“艾玮得”），加速人体器官芯片及配套自动化系统产业化。

顾忠泽团队研发的器官芯片。

科研成果能否从“书架”走上“货架”，还需市场投票。“我们跑了不少医院和药企，但很多药企不了解器官芯片，没少吃闭门羹。”在四处碰壁后，艾玮得商务经理伍晓月敲开了恒瑞医药的大门。

今年夏天，恒瑞医药的HRS-1893片获批开展临床试验。该药拟用于治疗肥厚型心肌病及心肌肥厚导致的心力衰竭。其药物候选分子体外筛选工作，正是由顾忠泽团队的器官芯片提供的技术支撑。

在近一年的时间里，双方用心脏芯片累计筛选了9批次上百个化合物。

“经过多轮筛选，药物化合物的起效浓度比最初有了很大优化。这为后期体内药效实验找到了候选分子。”陈早早说。

如今，顾忠泽团队研发的器官芯片已应用于疾病建模、药物筛选、航天医学、化妆品评价等领域。同时，该团队正在牵头起草国家标准计划《皮肤芯片通用技术要求》。

“新药研发的风险越来越大，创新速度越来越慢。”顾忠泽向记者表示，“我们希望用器官芯片加速药物研发、构建疾病模型，替代动物实验进行化妆品、药物检测，推动我国生物医药快速发展！”

文中图片由顾忠泽团队提供

编辑：张琦琪

审核：张爽

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