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“計算”未來——走進計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室

   

  中國工程院院士、計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室主任孫凝暉  楊天鵬攝 

   

  計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室常務(wù)副主任李曉維(右)在檢查硬件安全設(shè)計

   

  中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟成立 

   

  “寒武紀(jì)”芯片 

  最近幾年,中國工程院院士、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所所長孫凝暉覺得自己的脾氣明顯變急了。“計算所歷史上做得很不錯,我站在巨人的肩膀上,本來也能舒舒服服過日子??涩F(xiàn)在,經(jīng)常走廊那頭的同事都能聽到我發(fā)火。”

  嘴上的急源于心里的急。除了所長,孫凝暉還兼任計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室的主任。他很清楚,中國計算機產(chǎn)業(yè)很大,但要真正變強,是路漫且艱的。而作為我國在計算機體系結(jié)構(gòu)方向的首個“國字號”實驗室,計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室從誕生之初,就承擔(dān)著將中國計算機產(chǎn)業(yè)做強的歷史重任。

  “我們不會做那種只有一兩個用戶的技術(shù),也不會去做改良式的創(chuàng)新,這些都不是國家重點實驗室的使命。要做,我們就要做對產(chǎn)業(yè)有深遠影響的工作,國家重點實驗室要成為技術(shù)創(chuàng)新的源頭?!睂O凝暉說。

  如何續(xù)寫“高光時刻” 

  計算機體系結(jié)構(gòu)可以說是中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所(以下簡稱計算所)的立所之本。從參與成立我國第一個計算機體系結(jié)構(gòu)小組,先后研制成功我國首臺通用數(shù)字電子計算機、“兩彈一星”功勛機109丙機至今,計算所在體系結(jié)構(gòu)前沿基礎(chǔ)研究、高端計算和微體系結(jié)構(gòu)核心技術(shù)攻關(guān)、高性能計算機和微處理器產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮了重要作用,也逐步培養(yǎng)起一支產(chǎn)學(xué)研全鏈條貫通的創(chuàng)新團隊。

  “從計算所的發(fā)展歷史看,剛建所的30年是我們的‘高光時刻’,體系結(jié)構(gòu)是我們立所的一個學(xué)科方向,但在長達半個世紀(jì)的時間里,我們都沒有重點實驗室。這說明我們做的工作里,原創(chuàng)的東西是不夠的?!睂O凝暉坦言,“如果我們?nèi)狈υ瓌?chuàng)的東西,就會掉入‘科技山寨’‘科技克隆’的陷阱。”

  “當(dāng)你跑到一定程度,想再往前跑,想學(xué)別人已經(jīng)沒得可學(xué)了,怎么辦?”計算所人捫心自問。

  隨著摩爾定律的放緩,計算機和處理器的發(fā)展在可靠設(shè)計、性能優(yōu)化、低功耗設(shè)計等方面面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),世界各國都在爭取原理上的創(chuàng)新。而我國這方面的研究分散在通信、物理、生物等各個學(xué)科,而且大多是從器件層次上著手,缺乏從體系結(jié)構(gòu)層次的整體考慮。另一方面,核心芯片研制能力弱也是我國信息產(chǎn)業(yè)的短板,處理器、系統(tǒng)軟件等核心技術(shù)被個別發(fā)達國家控制,導(dǎo)致我國企業(yè)在國際產(chǎn)業(yè)鏈中核心競爭力弱、缺乏話語權(quán)。

  無論是自身前進的動力,還是國家發(fā)展的需要,都意味著計算所這支信息技術(shù)領(lǐng)域的“國家隊”不能再躺在功勞簿上睡大覺。

  他們必須向改革要明天!

  2006年,中科院計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重點實驗室成立;2011年,該實驗室獲批“升格”。至此,帶著計算所在體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域近50年深厚的科研積累,我國計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的首個國家重點實驗室——計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室應(yīng)運而生。

  “計算機體系結(jié)構(gòu)屬于計算機學(xué)科的‘重工業(yè)’,成果不僅停留在發(fā)表論文,更應(yīng)高度重視技術(shù)發(fā)明和原型系統(tǒng),通過技術(shù)轉(zhuǎn)移和技術(shù)應(yīng)用,服務(wù)于國家重大需求,引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展?!睂O凝暉說。

  所以,這支既年輕又資深的隊伍,面臨的頭等大事,就是如何用好國家重點實驗室這塊“金字招牌”,將中國計算機系統(tǒng)的研發(fā)水平再推上一個新的高度。

  系統(tǒng)思維鑄就“團魂” 

  計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室成立之初,設(shè)立了高端計算體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)、編譯與編程、超大規(guī)模集成電路與容錯計算,以及非傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等5個研究方向。

  “這5個研究方向的確定有一定的機緣,源于我們有一段時間的反思?!庇嬎銠C體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室常務(wù)副主任、計算所研究員李曉維說,“這幾個方向,前四個方向涵蓋了計算所60年的歷史積累,第五個方向則是對領(lǐng)域未來發(fā)展的一種把握。我們想通過這種設(shè)置,開展基礎(chǔ)性、前沿性的研究,為學(xué)科可持續(xù)發(fā)展更好地貢獻力量?!?/p>

  以李曉維所從事的測試與容錯計算為例,芯片的研制很難一次成功,出現(xiàn)問題時就要進行故障診斷,其中最關(guān)鍵的就是定位精度。而一個動輒幾十億個晶體管的芯片出了故障,究竟是定位到10萬個晶體管的范圍,還是定位到50個晶體管的范圍,后續(xù)的工作量有數(shù)量級的差距,直接決定著芯片的研發(fā)速度。

  此前,精確的芯片故障診斷技術(shù)主要由三家國外公司掌握,前段時間,這些公司先后宣布對中國某企業(yè)實施封鎖,導(dǎo)致該企業(yè)遇到了難題,該企業(yè)找到了計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室尋求幫助。

  幸運的是,他們找對了人。李曉維團隊在故障診斷領(lǐng)域有著長期的積累,技術(shù)雖然沒有商業(yè)化,但在實驗室的支持下,他們一直在不斷地精進,目前定位精度已經(jīng)達到國際公開報道的最高水平,一舉讓企業(yè)突破了瓶頸。

  這個“備胎一夜轉(zhuǎn)正”的故事讓李曉維深刻地感受到國家重點實驗室體制的優(yōu)勢?!叭绻怯龅搅藛栴}再從零開始,那我們肯定做不到現(xiàn)在這樣。但實驗室始終面向世界科技前沿、面向國家戰(zhàn)略需求做事,所以才能持續(xù)支持我們這個團隊。”

  在計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室副主任、計算所研究員馮曉兵看來,有了國家重點實驗室,原先不同的課題組“各人自掃門前雪”的問題就不存在了,大家可以真正把目光放長遠,從頂層設(shè)計入手,成體系地去做一些科研上的合作?!霸瓉碇饕悄愀l比較熟,就合作多,現(xiàn)在都在一個實驗室,大家平時的交流多了,能夠在更高層面上發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題,一些工作就能夠更早地開展合作?!?/p>

  在計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室工作,這樣的系統(tǒng)思維是必不可少的。實際上,這也正是孫凝暉作為實驗室主任所期望看到的。在他的構(gòu)想中,國家重點實驗室理應(yīng)為國家構(gòu)建一個完整的技術(shù)體系。

  “原來我們是‘1+1’模式,一項技術(shù)或者一個設(shè)備,加上一個公司,就成了,過去計算所已經(jīng)把這個模式做透了??墒怯辛藝抑攸c實驗室,我們的使命就不一樣了,我們要去探索‘n+m’模式,也就是用實驗室成系列的n個技術(shù),去聯(lián)合m家高科技企業(yè),共同構(gòu)建中國未來信息基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)體系。只有這樣,我們才能真正把技術(shù)演進的主導(dǎo)權(quán)掌握在自己手里,才能在國際競爭中立于不敗之地?!彼f。

  青年才俊“分兵把守” 

  在計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室,除了“大?!保€有不少“網(wǎng)紅”,計算所研究員陳云霽就是一個。他與弟弟陳天石研制了國際上首個深度學(xué)習(xí)處理器芯片——“寒武紀(jì)”,被《科學(xué)》雜志評價為該方向的“先驅(qū)”和“領(lǐng)導(dǎo)者”。

  退回幾年前,陳云霽只是一個初出茅廬的“毛頭小子”,這個“80后”當(dāng)時想做人工智能與芯片設(shè)計的交叉研究,但他也沒想清楚,這個交叉研究到底能“叉”出些什么東西來。

  “當(dāng)時這還是一個全新的方向,在國際學(xué)術(shù)界是不太受到認(rèn)可的,也基本上沒有相關(guān)的論文,申請科研經(jīng)費更是不容易。”陳云霽說。

  他非常理解,如果僅僅從KPI(關(guān)鍵績效指標(biāo))的角度考慮,沒有一個實驗室會支持他做這樣的事,畢竟他在做的事“既不能產(chǎn)錢,也不能產(chǎn)論文”。

  但計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室偏偏支持了。在“種子”階段,年輕人申請不到課題,實驗室就從運行經(jīng)費里拿出錢來,支持他們開展探索性的研究;孫凝暉還帶著陳云霽去各個相關(guān)單位爭取相關(guān)資源,就這樣一步步幫著他發(fā)展起來。國家重點實驗室的研究還吸引了Olivier Temam等國外學(xué)者的參與,拓展了陳云霽等人的國際視野。

  在開始的五六年里,陳云霽的成果的確不多,可是,厚積終于迎來了薄發(fā)——2020年6月2日,陳天石創(chuàng)立的寒武紀(jì)公司在科創(chuàng)板上市的申請得到批準(zhǔn),成為中國人工智能芯片的第一股。如今的“寒武紀(jì)”,已經(jīng)從昔日的“非主流”,成長為全球智能芯片領(lǐng)域的先行者。

  “我們實驗室選擇支持什么樣的課題,一是看科研人員發(fā)自內(nèi)心的驅(qū)動,再由實驗室領(lǐng)導(dǎo)去判斷它的長遠價值,而并不是看國家有沒有立項,或者是不是國際熱點,不是跟著這樣任何一個指揮棒。”陳云霽感慨,“只有在這種寬松的土壤里,才可能有‘寒武紀(jì)’的誕生?!?/p>

  “計算機科學(xué)本身就是一個年輕的學(xué)科,所以我們也派年輕人去分兵把守,每人把守一個重要的路口?!睂O凝暉坦言,計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室自成立之日,就把“寶”押在年輕人身上,先后重用了一批像陳云霽這樣的年輕人,也先后冒出了寒武紀(jì)芯片、開源芯片、高通量芯片、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)芯片等有前景的新方向。

  2017年,剛剛成立數(shù)年的計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室參加了首次評估,就獲得了“優(yōu)秀”的好成績,更成為近20年來信息領(lǐng)域唯一一家首次評估就獲得優(yōu)秀的實驗室。

  “做科研有時候就像打仗,講究體系化作戰(zhàn)。國家重點實驗室不是一個步兵連,而是一個‘混成旅’,既要有坦克營,又要有步兵連,更要有直升機團,這樣我們才能集中力量辦成大事。這就是我們國家重點實驗室也是中科院最大的優(yōu)勢?!?/p>

  正如孫凝暉所說的那樣,未來,計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室還將譜寫新篇,不斷點燃科技創(chuàng)新的星星之火,形成產(chǎn)業(yè)革命的燎原之勢。

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