清華微電子助力集成電路技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展
“高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目獲2015年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)
學(xué)生記者 王也文
項(xiàng)目名稱(chēng)：高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)
項(xiàng)目主要完成人：魏少軍、劉雷波、毛志剛、時(shí)龍興、尹首一、鄧玉良
項(xiàng)目介紹：本項(xiàng)目發(fā)明了硬件隨軟件變化而變化、軟硬件雙編程的高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的基于硬件進(jìn)行軟件編程的計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)了“電路跟隨算法變、架構(gòu)跟隨應(yīng)用變”的可重構(gòu)計(jì)算芯片，在保持靈活性的同時(shí)提升能量效率10倍以上。已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利73項(xiàng)，其中授權(quán)45項(xiàng)。發(fā)表SCI論文38篇，EI論文43篇。出版我國(guó)本領(lǐng)域第一部專(zhuān)著《可重構(gòu)計(jì)算》。關(guān)鍵技術(shù)已在信息安全芯片、可編程器件和可穿戴計(jì)算芯片上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
過(guò)去15年中，集成電路領(lǐng)域持續(xù)高速發(fā)展，取得了令人矚目的成績(jī)。但近年來(lái)，由于軟件規(guī)模巨大和硬件資源受限等問(wèn)題，集成電路的發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入瓶頸期。而國(guó)內(nèi)集成電路尚未擺脫模仿和跟隨，更面臨著對(duì)外依存度高，缺少技術(shù)上的源頭創(chuàng)新等問(wèn)題。
面對(duì)種種挑戰(zhàn)，清華大學(xué)微電子所教授魏少軍、副教授劉雷波和尹首一團(tuán)隊(duì)，砥礪前行，在科研的原野上辛勤勞作了近十年，終于取得了創(chuàng)造性的智慧果實(shí)。在人民大會(huì)堂舉行的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，團(tuán)隊(duì)?wèi){借“高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)”這一項(xiàng)目獲得了2015年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)以及2015年中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了軟硬件雙編程，有著高靈活性和高能量效率，為我國(guó)集成電路產(chǎn)品擺脫跟隨模仿、實(shí)現(xiàn)跨越提供了重要的戰(zhàn)略路徑，對(duì)我國(guó)集成電路領(lǐng)域的發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
近十載，堅(jiān)持探索不放松
魏少軍1995年從比利時(shí)回國(guó)后到清華任教。在此期間，他曾任電信科學(xué)技術(shù)研究院副總工程師，大唐電信科技股份有限公司總裁，致力于完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片和技術(shù)軟件的產(chǎn)品研發(fā)，是我國(guó)在該領(lǐng)域當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)軍型人物。
魏少軍。
在魏少軍看來(lái)，可重構(gòu)計(jì)算芯片技術(shù)是集成電路領(lǐng)域非常有希望的差異化技術(shù)，具有廣泛的適用性。“以專(zhuān)用集成電路為代表的專(zhuān)用計(jì)算，根據(jù)特定的應(yīng)用來(lái)定制電路結(jié)構(gòu)，其執(zhí)行速度快、功耗小、成本低，卻有一個(gè)致命缺陷——靈活性和拓展性差。而針對(duì)不同應(yīng)用需要設(shè)計(jì)不同的芯片，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，投入研發(fā)成本也高。但是可重構(gòu)計(jì)算芯片則讓芯片成了‘變形金剛’——硬件跟著軟件變，軟硬件雙編程，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)‘兵來(lái)將擋，水來(lái)土掩’。這不僅對(duì)學(xué)術(shù)具有重要的促進(jìn)作用，對(duì)整個(gè)工業(yè)發(fā)展也有極大的推動(dòng)作用，因此做這件事非常有意義。”魏少軍介紹說(shuō)。
懷著推動(dòng)人類(lèi)科技發(fā)展的理想，2006年，魏少軍開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定在了可重構(gòu)計(jì)算，在這條道路上，他們一走便是十年。
最終，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了常規(guī)的配置—執(zhí)行交替計(jì)算模式難以發(fā)揮出陣列計(jì)算的優(yōu)勢(shì)、陣列規(guī)整性與應(yīng)用不規(guī)則性之間的固有矛盾導(dǎo)致的計(jì)算陣列能效低下、計(jì)算資源、路由和訪(fǎng)存等多元復(fù)雜因素相互作用難以實(shí)現(xiàn)映射優(yōu)化三大技術(shù)難題，發(fā)明了硬件隨軟件變化而變化、軟硬件雙編程的高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的基于硬件進(jìn)行軟件編程的計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)了電路跟隨算法變、架構(gòu)跟隨應(yīng)用變的可重構(gòu)計(jì)算芯片，在保持靈活性的同時(shí)將其能效提升了10倍以上，極大地促進(jìn)了我國(guó)在集成電路領(lǐng)域，尤其是芯片設(shè)計(jì)方面的發(fā)展。
談團(tuán)隊(duì)，通力合作助成功
魏少軍團(tuán)隊(duì)成立伊始，只有他本人、劉雷波、尹首一以及幾個(gè)本科剛畢業(yè)的學(xué)生。由于受限于資金技術(shù)等各方面的限制，他們的初期發(fā)展可以說(shuō)是舉步維艱。四處奔波是大家那些年生活的真實(shí)寫(xiě)照，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，坐硬臥出差是家常便飯，買(mǎi)不到坐票就站完全程也時(shí)有發(fā)生。此外，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有多余的資金去聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)工程師，他們只能在研發(fā)之余，“自己動(dòng)手，豐衣足食”。“十年時(shí)間，學(xué)生們都畢業(yè)了好幾撥了，一代一代累加才出來(lái)當(dāng)前這樣的成果。”魏少軍感慨地說(shuō)。
談及五年前團(tuán)隊(duì)在無(wú)錫研發(fā)時(shí)的艱苦經(jīng)歷，劉雷波至今記憶猶新：“當(dāng)時(shí)，師生們?cè)诠さ刈鲩_(kāi)發(fā)做了差不多兩年時(shí)間，項(xiàng)目完成后又應(yīng)要求做了一個(gè)演示系統(tǒng)?？墒亲龊玫哪莻€(gè)演示系統(tǒng)經(jīng)常死機(jī)，又面臨著專(zhuān)家要來(lái)驗(yàn)收，時(shí)間十分緊迫。所以大家就拼命趕，不斷地調(diào)試，很多時(shí)候飯也顧不上吃。終于功夫不負(fù)有心人，驗(yàn)收時(shí)一切進(jìn)展得很順利，每個(gè)人可算長(zhǎng)舒了一口氣，真的不容易。”
后來(lái)，隨著項(xiàng)目逐步做大，團(tuán)隊(duì)中也漸漸加入了一批工程經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。如此一來(lái)，師生們便可剝離出來(lái)，專(zhuān)心致志地完成項(xiàng)目方法構(gòu)思和理論設(shè)計(jì)部分，而工程實(shí)現(xiàn)則交給工程師來(lái)完成。正是源于這樣明確的分工和“新老傳幫帶”的無(wú)私精神，多年來(lái)，魏少軍團(tuán)隊(duì)雖然時(shí)有“新鮮血液”不斷輸入進(jìn)來(lái)，卻能保持有條不紊地運(yùn)作，取得了豐碩的科研成果。
在魏少軍和劉雷波看來(lái)，團(tuán)隊(duì)之所以能取得一些成績(jī)，離不開(kāi)每位成員吃苦耐勞、共同拼搏的可貴精神，而更要的則是精準(zhǔn)而深刻的視角與持之以恒的堅(jiān)持。
“可重構(gòu)計(jì)算的想法早在1960年就有人提出，但是在2000年之后才引起重視，之后有很多團(tuán)隊(duì)和個(gè)人都在這個(gè)領(lǐng)域做研究，但大都沒(méi)有堅(jiān)持下來(lái)。在我們團(tuán)隊(duì)中，魏老師既有學(xué)術(shù)界的背景，也有著產(chǎn)業(yè)界的深厚資歷，同時(shí)又了解國(guó)家在這個(gè)層面上的需求，從精準(zhǔn)而深刻的視角出發(fā)，我們才能瞄準(zhǔn)領(lǐng)域進(jìn)而展開(kāi)攻關(guān)。同時(shí)，項(xiàng)目組里每個(gè)人都有一股韌勁，不達(dá)目標(biāo)不罷休。正是源于這樣良好的氛圍，我們的項(xiàng)目才走到了今天的高度，走在了集成電路發(fā)展的最前沿。”劉雷波說(shuō)。
論科研，需求驅(qū)動(dòng)促發(fā)展
簡(jiǎn)單純粹，刻苦勤奮。多少年來(lái)，魏少軍團(tuán)隊(duì)并不刻意追求科研成果的申報(bào)，而是踏實(shí)思考，憑著對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)和刻苦勤奮的工作，攻下了一個(gè)又一個(gè)科研難題。“我們擁有一支優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，他們不僅有堅(jiān)定的信念和科學(xué)的研究方法，而且注重團(tuán)結(jié)協(xié)作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、各盡所能。”魏少軍說(shuō)。
可重構(gòu)計(jì)算芯片的任務(wù)編譯器。
可重構(gòu)計(jì)算芯片以運(yùn)算單元陣列為核心部件，由配置流和數(shù)據(jù)流共同驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件雙編程。在可重構(gòu)計(jì)算芯片中，應(yīng)用任務(wù)中的每一個(gè)運(yùn)算都可以在陣列中找到對(duì)應(yīng)的單元，單元間的互連與任務(wù)實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)，由此獲得了可以比擬專(zhuān)用電路的能量效率，真正實(shí)現(xiàn)了在保持可重構(gòu)計(jì)算處理器靈活性的同時(shí)，提升其能量效率。目前，魏少軍團(tuán)隊(duì)針對(duì)可重構(gòu)計(jì)算芯片技術(shù)又研發(fā)出思考者（Thinker）多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算芯片，這是世界上首枚利用可重構(gòu)計(jì)算芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的芯片。“我們的可重構(gòu)計(jì)算芯片技術(shù)在全球也處于領(lǐng)先地位。”魏少軍表示，他們的目標(biāo)是面向?qū)Ｓ眉呻娐肥袌?chǎng)來(lái)進(jìn)行通用芯片技術(shù)的研發(fā)。
談及帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科研攻關(guān)的心得，魏少軍說(shuō)他相信“埋頭干活，抬頭看天”這一古老的智慧箴言。“科學(xué)研究是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，沒(méi)有一蹴而就的。如果我們淺嘗輒止，浮躁地只追求結(jié)果，我想就不會(huì)有今天的成果。做科研要耐得住寂寞，要勇于探索，在拼命干活的同時(shí)，也要在必要的時(shí)候停下來(lái)看一看——了解國(guó)際上最新的發(fā)展趨勢(shì)是什么，了解學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的變化，才能不落伍，才能將我們的技術(shù)和當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。”
“未來(lái)的路還很長(zhǎng)，我們相信，將來(lái)會(huì)有更多新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生更為出色的科研成果，為祖國(guó)的集成電路技術(shù)發(fā)展作出更多、更大的貢獻(xiàn)。”魏少軍暢想著未來(lái)，充滿(mǎn)希望。
來(lái)源：新清華 2016-11-4
（清華新聞網(wǎng)11月7日電）
編輯：徐靜
