如果一件事在別人眼中是坐冷板凳，是做臟活、累活，你是否還會(huì)堅(jiān)持做下去呢？

石侃·中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副研究員格致論道第117期|2025年1月18日 北京

大家好，我是來(lái)自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的石侃，一個(gè) “斜杠科技工作者”。我在芯片領(lǐng)域有十多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在我在中國(guó)科學(xué)院從事芯片相關(guān)的學(xué)術(shù)研究；但同時(shí)我還是一個(gè)B站的科技UP主“老石談芯”，我的觀眾都叫我“老石”。

芯片：現(xiàn)代社會(huì)的基石

提到芯片，大家肯定都知道它的重要性。

不管是現(xiàn)在正熱的人工智能，還是生命醫(yī)藥、自動(dòng)駕駛、網(wǎng)絡(luò)通信等等，你能想象的現(xiàn)代社會(huì)的所有科技，幾乎都離不開芯片——這一信息時(shí)代的基石性技術(shù)。

我從事芯片工作已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了，芯片研發(fā)的過(guò)程其實(shí)是個(gè)很有趣的過(guò)程，這主要源于兩個(gè)方面。

首先，芯片的應(yīng)用非常廣泛。一旦你從事了這個(gè)行業(yè)，大概率不用擔(dān)心自己會(huì)失業(yè)，因?yàn)楹芏嘈袠I(yè)都需要用到芯片技術(shù)。

第二個(gè)原因可能更重要：芯片研發(fā)是一個(gè)非常難的事情。作為芯片工程師，我們需要不斷地學(xué)習(xí)、不斷地充實(shí)自己，來(lái)應(yīng)對(duì)和迎接這個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的時(shí)代。

那么問(wèn)題就來(lái)了，芯片技術(shù)到底難在哪里？

芯片為什么這么難？

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大家可能知道，一顆芯片的制造過(guò)程，本質(zhì)上其實(shí)是一粒沙子的進(jìn)化之旅。沙子可能是這個(gè)星球上取之不盡、用之不竭的東西；但把低價(jià)值的沙子做成高價(jià)值的芯片，附加的全部都是人類的智慧。

從沙子開始，我們需要對(duì)它進(jìn)行提純，得到晶圓。然后，再對(duì)晶圓進(jìn)行光刻、離子注入、刻蝕、封裝等一系列環(huán)節(jié)，才能從取之不盡、用之不竭的沙子變成最終的一顆小小的芯片。

那么說(shuō)了這么多，有這么多的環(huán)節(jié)，其實(shí)芯片制造只是整個(gè)芯片開發(fā)流程的一部分，它并不等于芯片開發(fā)本身。

還有一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，那就是芯片設(shè)計(jì)。它指的是根據(jù)需求完成電路設(shè)計(jì)，并讓電路能正常工作。然后，我們把設(shè)計(jì)好的電路交給芯片制造商，讓他們進(jìn)行后期的制造，最終得到芯片的實(shí)體。

但這里還有另一個(gè)問(wèn)題：如何保證芯片的功能和你一開始的設(shè)計(jì)是一樣的？

這里有一個(gè)很有意思的小故事。在1947年，一位非常著名的女性程序員Grace Hopper發(fā)現(xiàn)自己的電腦不工作了。經(jīng)過(guò)仔細(xì)地排查和探索，她發(fā)現(xiàn)原來(lái)是電腦的繼電器里飛進(jìn)去了一只蛾子。于是，她用鑷子小心翼翼地把這只蛾子給夾出來(lái)，然后貼到了一張紙上。

這有可能是我們整個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)“bug”（蟲子），也就是漏洞。

如果說(shuō)前面的例子過(guò)于久遠(yuǎn)，那我們其實(shí)還有更多的例子。這里給各位出一個(gè)數(shù)學(xué)題，請(qǐng)問(wèn)這個(gè)式子最終的結(jié)果等于多少？其實(shí)這個(gè)題目很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诤竺媸阶永铮肿雍头帜钙鋵?shí)是一樣的，可以消掉；然后減號(hào)前面的數(shù)和后面的數(shù)其實(shí)也是一樣的，所以同樣的數(shù)字相減，最后的答案應(yīng)該等于0。但是，在實(shí)際的計(jì)算機(jī)和芯片當(dāng)中，有可能得出來(lái)的結(jié)果并不是這樣。

比如，在英特爾的一個(gè)奔騰芯片中，得到的結(jié)果是255.00000000。這是怎么回事呢？原來(lái)有一個(gè)美國(guó)科學(xué)家在做科學(xué)研究時(shí)，當(dāng)他運(yùn)行這個(gè)式子的時(shí)候，怎么算都算不對(duì)。最后他才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)在這顆芯片的一個(gè)浮點(diǎn)除法運(yùn)算單元里，存在著一個(gè)沒有被發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)漏洞。

可不要小看這個(gè)設(shè)計(jì)漏洞，它帶來(lái)的后果其實(shí)是非常嚴(yán)重的。在20世紀(jì)90年代，英特爾花了4.75億美元在全球范圍內(nèi)召回了所有出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的奔騰芯片。

所以回到剛才的問(wèn)題，芯片技術(shù)到底難在哪里？在我看來(lái)，芯片的難點(diǎn)在于它需要一次性成功。做芯片不像軟件，你可以后期通過(guò)打補(bǔ)丁的方式，去修復(fù)各種問(wèn)題。相比之下，芯片一旦走完了從沙子到芯片的進(jìn)化之旅，你可能就已經(jīng)花費(fèi)成千上萬(wàn)，甚至上億元去完成芯片的流片和制造，很難再修改了。

那么，下一個(gè)問(wèn)題就是：現(xiàn)在有多少芯片項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)一次性成功？

“卡脖子”的芯片驗(yàn)證

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根據(jù)調(diào)查結(jié)果的數(shù)據(jù)，只有24%的芯片項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)一次性成功。也就是說(shuō)，有3/4的芯片項(xiàng)目由于存在著各種各樣的、大大小小的、沒有被發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)漏洞，所以至少需要再去開展一次流片，這就會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。

所以，問(wèn)題的關(guān)鍵在于：我們?nèi)绾文軌虮M可能保證芯片在流片制造之前盡可能少有、或者是盡可能沒有bug、沒有設(shè)計(jì)漏洞。也就是我過(guò)去幾年一直在致力研究的方向。

同樣是根據(jù)這個(gè)研究數(shù)據(jù)，在整個(gè)芯片開發(fā)過(guò)程中，特別是隨著現(xiàn)在人工智能以及各種高新技術(shù)的發(fā)展，芯片變得越來(lái)越復(fù)雜。芯片驗(yàn)證也由此成為整個(gè)芯片開發(fā)周期中占比非常高的環(huán)節(jié)，甚至超過(guò)了一半，達(dá)到了整個(gè)芯片設(shè)計(jì)周期的70%。

但很遺憾，芯片驗(yàn)證也是一件很難的事情。我這里列出了一些天文數(shù)字，比如地球的周長(zhǎng)、銀河系里可能存在的星星數(shù)量，或者是光年的長(zhǎng)度。

在芯片驗(yàn)證里，其實(shí)也存在著一個(gè)天文數(shù)字，那就是完全驗(yàn)證一顆CPU核心所需要的周期數(shù)。這個(gè)天文數(shù)字到底代表什么意義呢？

如果我們用現(xiàn)在最先進(jìn)的軟件仿真技術(shù)去完全驗(yàn)證一顆CPU核心，需要至少15000年。而使用現(xiàn)在最先進(jìn)的硬件仿真技術(shù)，可以把這個(gè)時(shí)間稍微縮短到30年。但我們都知道，開發(fā)一顆芯片不可能等15000年，也不可能等30年。

那么，問(wèn)題的本質(zhì)到底是什么？過(guò)去幾年我們其實(shí)一直在研究。我們發(fā)現(xiàn)，在芯片驗(yàn)證中存在著一個(gè)所謂的“不可能三角”，也就是芯片驗(yàn)證的高性能、良好的調(diào)試能力以及低成本；而這三個(gè)對(duì)芯片驗(yàn)證至關(guān)重要的因素不可能同時(shí)滿足。對(duì)于現(xiàn)在主流的研究或方法來(lái)說(shuō)，最多就是三者取其二，而這也就是導(dǎo)致芯片驗(yàn)證效率非常低的一個(gè)本質(zhì)原因。

總要有人去做一些不一樣的事情

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由于這些原因，芯片驗(yàn)證在過(guò)去一段時(shí)間里并沒有很大的發(fā)展。

在芯片公司里，芯片工程師可能更多地是在寫測(cè)試用例、跑回歸驗(yàn)證。本質(zhì)上，這是一個(gè)臟活累活。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域也是如此，投身于芯片驗(yàn)證研究的學(xué)者其實(shí)很少，特別是和現(xiàn)在大火的人工智能等熱門領(lǐng)域的研究相比，芯片驗(yàn)證相關(guān)的研究是非常少的。

所以，有學(xué)術(shù)大佬跟我說(shuō)過(guò)，在同樣的時(shí)間內(nèi)，我能夠在人工智能領(lǐng)域發(fā)三篇甚至是更多的論文，但芯片驗(yàn)證可能一篇也發(fā)不出來(lái)。

很遺憾，他說(shuō)的是對(duì)的。

不過(guò)，總要有人去做一些不一樣的事情。

所以，在過(guò)去的幾年中，我一直帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事芯片驗(yàn)證的相關(guān)研究，并且從零到一構(gòu)建了一個(gè)敏捷驗(yàn)證研究體系。這個(gè)研究體系的核心是一個(gè)名叫ENCORE的驗(yàn)證平臺(tái)，它基于一個(gè)特殊的芯片——現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。ENCORE能夠大幅提升驗(yàn)證效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的驗(yàn)證可調(diào)試性。

為了構(gòu)建這個(gè)敏捷驗(yàn)證研究體系，我們一方面需要在算法層面不斷優(yōu)化漏洞挖掘、調(diào)試以及修復(fù)的效率；另一方面，我們也希望能夠構(gòu)建一套端到端的基于可編程邏輯芯片（FPGA）的敏捷驗(yàn)證加速平臺(tái)。在應(yīng)用層面，我們希望這個(gè)平臺(tái)既能適用于通用處理器的驗(yàn)證，比如CPU或GPU，也能適用于專用芯片的驗(yàn)證，比如現(xiàn)在非常流行的AI加速器。

在過(guò)去一段時(shí)間里，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域做了很多前沿的探索工作，包括前面提到的ENCORE以及很多的新研究。我們也把這些研究成果發(fā)表在了很多國(guó)際知名的學(xué)術(shù)會(huì)議上。

后面我們其實(shí)也在進(jìn)行一些很有趣的工作，由于這些工作現(xiàn)在還沒有發(fā)表，所以就先不跟大家一一展示了。

如果大家對(duì)我們的工作感興趣，可以去我的B站主頁(yè)，或者是通過(guò)B站的后臺(tái)私信聯(lián)系我。現(xiàn)在，也有很多同學(xué)也想要參與進(jìn)來(lái)，歡迎大家加入我們的團(tuán)隊(duì)，一起從事這種很有趣的敏捷驗(yàn)證學(xué)術(shù)研究。

讓更多人更了解芯片

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但是在研究過(guò)程中，我逐漸發(fā)現(xiàn)這些科研成果或?qū)W術(shù)成果，主要是給我們這個(gè)小圈子里那些只懂芯片驗(yàn)證以及相關(guān)領(lǐng)域的人看的。那么，如何能讓更多的人看到我們的工作、了解我們的科研、甚至參與到我們的工作當(dāng)中來(lái)？

于是，我自然而然地想到了芯片科普，這同樣讓我感覺非常有意思。我從事科普已經(jīng)四五年了，從一開始的文字，到后來(lái)在B站做視頻。芯片科普不僅給我?guī)?lái)了很多收獲，也幫我結(jié)識(shí)了很多志同道合的朋友，以及喜歡并支持我的觀眾朋友們。

但是，做芯片科普視頻并不是一件簡(jiǎn)單的事情，特別是在短視頻泛濫的今天。有同樣做科普的博主大佬也跟我說(shuō)，在同樣的時(shí)間內(nèi)，我做一期芯片硬核科普的長(zhǎng)視頻，他可能能做10期，甚至是更多和熱點(diǎn)相關(guān)的短視頻，而且流量可能是我的很多倍。

很遺憾，他說(shuō)的其實(shí)也是對(duì)的。

但在這個(gè)基礎(chǔ)上，我覺得還是需要有人堅(jiān)持做一些難的事情。我就希望能夠把芯片科普和芯片驗(yàn)證這兩個(gè)同樣難但同樣有趣的事情結(jié)合在一起，通過(guò)視頻和文字的形式向大家展示我們做的東西、發(fā)過(guò)的論文以及我們整個(gè)大團(tuán)隊(duì)正在研究的開源芯片等內(nèi)容。

除了芯片以外，我還會(huì)跟大家分享人工智能、計(jì)算機(jī)等硬核科技，也會(huì)和大家分享我的成長(zhǎng)經(jīng)歷、我讀過(guò)的書、我學(xué)到的知識(shí)。我知道，我自己其實(shí)并不是一個(gè)天才，也不是所謂的全面全能的專家和大牛。我更希望能夠作為大家的一個(gè)“向?qū)А保蠹曳窒砦易哌^(guò)的路。

在這個(gè)過(guò)程中，我也很有幸采訪到了很多資深的專家以及業(yè)界的大咖，讓觀眾能夠更好地、更全面地去感受和理解芯片以及科技未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。比如說(shuō)在2024年，我有幸采訪到了AMD的CEO蘇姿豐博士。我就問(wèn)她：“你覺得人工智能對(duì)于芯片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，會(huì)不會(huì)讓這個(gè)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單和更加高效？”如果你想知道她是怎么回答的，可以去B站看這期的采訪視頻。

所以，回到今天想和大家分享的這個(gè)問(wèn)題：芯片的科研和芯片的科普，到底哪個(gè)更有趣？當(dāng)然，對(duì)我來(lái)說(shuō)其實(shí)兩個(gè)都同樣有趣。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兺瑯雍茈y。同時(shí)，它們都需要我非常長(zhǎng)期、長(zhǎng)久地去堅(jiān)持下去。

很多人都說(shuō)，我們需要做難而正確的事情。但是其實(shí)問(wèn)題在于，在你做一件事情之前，你如何去判斷這件事情是正確的呢？如果一件事在別人眼中是坐冷板凳，在別人眼中是做臟活、累活，你是否還會(huì)堅(jiān)持做下去呢？

所以，我更希望做難而長(zhǎng)期的事情，比如芯片驗(yàn)證的學(xué)術(shù)研究，比如做芯片硬核科普的長(zhǎng)視頻。因?yàn)槿绻患虑樗y而且需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的話，那它大概率就是正確的。

以上就是我今天想跟大家分享的全部?jī)?nèi)容。我是老石，謝謝大家！

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