「計算」未來｜重點實驗室巡禮

作者 | 丁佳

中國工程院院士、計算機體系結構國家重點實驗室主任孫凝暉 楊天鵬攝

計算機體系結構國家重點實驗室常務副主任李曉維（右）在檢查硬體安全設計。

中國開放指令生態聯盟成立。

「寒武紀」晶片

最近幾年，中國工程院院士、中國科學院計算技術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。可現在，經常走廊那頭的同事都能聽到我發火。」

嘴上的急源於心裡的急。

除了所長，孫凝暉還兼任計算機體系結構國家重點實驗室的主任。

他很清楚，中國計算機產業很大，但要真正變強，是路漫且艱的。

而作為我國在計算機體系結構方向的首個「國字號」實驗室，計算機體系結構國家重點實驗室從誕生之初，就承擔著將中國計算機產業做強的歷史重任。

「我們不會做那種只有一兩個用戶的技術，也不會去做改良式的創新，這些都不是國家重點實驗室的使命。要做，我們就要做對產業有深遠影響的工作，國家重點實驗室要成為技術創新的源頭。」孫凝暉說。

如何續寫「高光時刻」

計算機體系結構可以說是中國科學院計算技術研究所（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構小組，先後研製成功我國首臺通用數字電子計算機、「兩彈一星」功勳機109丙機至今，計算所在體系結構前沿基礎研究、高端計算和微體系結構核心技術攻關、高性能計算機和微處理器產業化中發揮了重要作用，也逐步培養起一支產學研全鏈條貫通的創新團隊。

「從計算所的發展歷史看，剛建所的30年是我們的『高光時刻』，體系結構是我們立所的一個學科方向，但在長達半個世紀的時間裡，我們都沒有重點實驗室。這說明我們做的工作裡，原創的東西是不夠的。」

孫凝暉坦言，「如果我們缺乏原創的東西，就會掉入『科技山寨』『科技克隆』的陷阱。」

「當你跑到一定程度，想再往前跑，想學別人已經沒得可學了，怎麼辦？」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展在可靠設計、性能優化、低功耗設計等方面面臨越來越嚴峻的挑戰，世界各國都在爭取原理上的創新。

而我國這方面的研究分散在通信、物理、生物等各個學科，而且大多是從器件層次上著手，缺乏從體系結構層次的整體考慮。

另一方面，核心晶片研製能力弱也是我國信息產業的短板，處理器、系統軟體等核心技術被個別發達國家控制，導致我國企業在國際產業鏈中核心競爭力弱、缺乏話語權。

無論是自身前進的動力，還是國家發展的需要，都意味著計算所這支信息技術領域的「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，中科院計算機系統結構重點實驗室成立；2011年，該實驗室獲批「升格」。

至此，帶著計算所在體系結構領域近50年深厚的科研積累，我國計算機系統結構領域的首個國家重點實驗室——計算機體系結構國家重點實驗室應運而生。

「計算機體系結構屬於計算機學科的『重工業』，成果不僅停留在發表論文，更應高度重視技術發明和原型系統，通過技術轉移和技術應用，服務於國家重大需求，引領產業技術發展。」孫凝暉說。

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」，將中國計算機系統的研發水平再推上一個新的高度。

系統思維鑄就「團魂」

計算機體系結構國家重點實驗室成立之初，設立了高端計算體系結構、微體系結構、編譯與編程、超大規模集成電路與容錯計算，以及非傳統體系結構等5個研究方向。

「這5個研究方向的確定有一定的機緣，源於我們有一段時間的反思。」

計算機體系結構國家重點實驗室常務副主任、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域未來發展的一種把握。我們想通過這種設置，開展基礎性、前沿性的研究，為學科可持續發展更好地貢獻力量。」

以李曉維所從事的測試與容錯計算為例，晶片的研製很難一次成功，出現問題時就要進行故障診斷，其中最關鍵的就是定位精度。

而一個動輒幾十億個電晶體的晶片出了故障，究竟是定位到10萬個電晶體的範圍，還是定位到50個電晶體的範圍，後續的工作量有數量級的差距，直接決定著晶片的研發速度。

此前，精確的晶片故障診斷技術主要由三家國外公司掌握，前段時間，這些公司先後宣布對中國某企業實施封鎖，導致該企業遇到了難題，該企業找到了計算機體系結構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域有著長期的積累，技術雖然沒有商業化，但在實驗室的支持下，他們一直在不斷地精進，目前定位精度已經達到國際公開報導的最高水平，一舉讓企業突破了瓶頸。

這個「備胎一夜轉正」的故事讓李曉維深刻地感受到國家重點實驗室體制的優勢。

「如果是遇到了問題再從零開始，那我們肯定做不到現在這樣。但實驗室始終面向世界科技前沿、面向國家戰略需求做事，所以才能持續支持我們這個團隊。」

在計算機體系結構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，從頂層設計入手，成體系地去做一些科研上的合作。

「原來主要是你跟誰比較熟，就合作多，現在都在一個實驗室，大家平時的交流多了，能夠在更高層面上發現科學問題，一些工作就能夠更早地開展合作。」

在計算機體系結構國家重點實驗室工作，這樣的系統思維是必不可少的。

實際上，這也正是孫凝暉作為實驗室主任所期望看到的。

在他的構想中，國家重點實驗室理應為國家構建一個完整的技術體系。

「原來我們是『1+1』模式，一項技術或者一個設備，加上一個公司，就成了，過去計算所已經把這個模式做透了。可是有了國家重點實驗室，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，去聯合m家高科技企業，共同構建中國未來信息基礎設施的技術體系。只有這樣，我們才能真正把技術演進的主導權掌握在自己手裡，才能在國際競爭中立於不敗之地。」他說。

青年才俊「分兵把守」

在計算機體系結構國家重點實驗室，除了「大牛」，還有不少「網紅」，計算所研究員陳雲霽就是一個。

他與弟弟陳天石研製了國際上首個深度學習處理器晶片——「寒武紀」，被《科學》雜誌評價為該方向的「先驅」和「領導者」。

退回幾年前，陳雲霽只是一個初出茅廬的「毛頭小子」，這個「80後」當時想做人工智慧與晶片設計的交叉研究，但他也沒想清楚，這個交叉研究到底能「叉」出些什麼東西來。

「當時這還是一個全新的方向，在國際學術界是不太受到認可的，也基本上沒有相關的論文，申請科研經費更是不容易。」陳雲霽說。

他非常理解，如果僅僅從KPI（關鍵績效指標）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「既不能產錢，也不能產論文」。

但計算機體系結構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，實驗室就從運行經費裡拿出錢來，支持他們開展探索性的研究；孫凝暉還帶著陳雲霽去各個相關單位爭取相關資源，就這樣一步步幫著他發展起來。

國家重點實驗室的研究還吸引了Olivier Temam等國外學者的參與，拓展了陳雲霽等人的國際視野。

在開始的五六年裡，陳雲霽的成果的確不多，可是，厚積終於迎來了薄發——2020年6月2日，陳天石創立的寒武紀公司在科創板上市的申請得到批准，成為中國人工智慧晶片的第一股。

如今的「寒武紀」，已經從昔日的「非主流」，成長為全球智能晶片領域的先行者。

「我們實驗室選擇支持什麼樣的課題，一是看科研人員發自內心的驅動，再由實驗室領導去判斷它的長遠價值，而並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。」

陳雲霽感慨，「只有在這種寬鬆的土壤裡，才可能有『寒武紀』的誕生。」

「計算機科學本身就是一個年輕的學科，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。」

孫凝暉坦言，計算機體系結構國家重點實驗室自成立之日，就把「寶」押在年輕人身上，先後重用了一批像陳雲霽這樣的年輕人，也先後冒出了寒武紀晶片、開源晶片、高通量晶片、工業網際網路晶片等有前景的新方向。

2017年，剛剛成立數年的計算機體系結構國家重點實驗室參加了首次評估，就獲得了「優秀」的好成績，更成為近20年來信息領域唯一一家首次評估就獲得優秀的實驗室。

「做科研有時候就像打仗，講究體系化作戰。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勢。」

正如孫凝暉所說的那樣，未來，計算機體系結構國家重點實驗室還將譜寫新篇，不斷點燃科技創新的星星之火，形成產業革命的燎原之勢。

實驗室小故事

想要改變世界的年輕人

作者 | 丁佳

對於「一個國際頂尖實驗室應該長什麼樣」這個問題，中科院計算所研究員、計算機體系結構國家重點實驗室先進計算機系統研究中心主任包雲崗曾經很認真地思考過。

最後，他得到的結論是「人」。

在國外做博士後的時候，包雲崗接觸過一些在一流實驗室工作的人。

在交流中他發現，這些人「上來就跟你講，他們要做的是改變世界的東西。

不管他們最後能不能做成，普遍都是有這種心氣的」。

反觀國內，「敢」去宣告自己要改變世界的科研人員並不多，大家相對來說還是比較保守。

除了文化差異和自信心的問題外，包雲崗覺得，來自組織的支持非常重要。

最近，包雲崗就在做一件可能會改變世界的事——他想改變晶片研發領域的遊戲規則。

「現在做晶片的門檻非常高，只有少數幾家公司能做。未來物聯網發展起來以後，每個領域都需要晶片，但並不是每個領域都需要那種非常尖端的晶片。所以我們需要把晶片設計的門檻降低幾個數量級，讓大量從業人員可以參與進來，這樣才能夠形成一個繁榮的生態系統。」

包雲崗所說的，就是「開源晶片」的概念。

比如設計一個腦機接口的晶片，主要功能就是捕捉一些人的神經信號，然後進行一些處理。

這種晶片規模很小，而且定製化程度很高，如果還用原來晶片開發的模式去做，既費時又費錢。

如果用開源晶片去做，再加上敏捷開發的方式，一個很小的創業團隊就能很快把原型晶片開發出來。

包雲崗感到，正如開源軟體支撐了整個網際網路一樣，開源晶片可能就是下一個重大機遇。「這個趨勢可能會對晶片產業帶來很大的衝擊和影響，而且相信在未來的5~10年就會發生。」

最開始，包雲崗帶領一個小團隊，做了一些開源晶片相關的工作。隨著工作的深入，他對開源模式有可能改變現有晶片研發模式的預感愈加強烈。

於是他向計算機體系結構國家重點實驗室主任孫凝暉匯報這些想法。

孫凝暉很重視，讓包雲崗在國家重點實驗室例會上給大家再講一次，讓實驗室的科研人員都提提建議。

例會上，大家提出了很多寶貴的建議，比如實驗室常務副主任李曉維就建議充分發揮國家重點實驗室的號召力，通過成立聯盟的方式去推動開源晶片的發展。

「可以看到，我們國家重點實驗室在戰略方向的把握上，是有一套很好的決策機制的。對於新生事物，實驗室領導層面能夠接受，然後通過群策群力，把大家的觀點、認識匯聚起來。」包雲崗說。

經過幾輪討論，包雲崗更加堅定了這個方向是值得去做的。於是他的整個團隊都轉而全身心地投入到開源晶片的研究中。

2018年11月，中國開放指令生態聯盟在浙江烏鎮召開的世界網際網路大會上宣告成立，旨在推動建立世界共享的開源晶片生態。

聯盟吸引了幾十家科研機構、大學、高科技企業及投資機構加盟，包雲崗任聯盟秘書長。

「目前在開源晶片這個領域，全世界範圍內尚未形成定局，大家都有機會。」

包雲崗說，「對中國來說，這是一個機遇。面對這個機遇，我們國家重點實驗室責無旁貸，要扛起這面旗幟。」

他盼望著，在不久的未來，越來越多的人可以通過開源模式做晶片，用開源晶片去改變世界。

計算機體系結構國家重點實驗室簡介

計算機體系結構國家重點實驗室於2011年10月13日經科技部批准建設，於2013年5月22日通過驗收，在2017年國家重點實驗室評估中獲得「優秀」。

實驗室的依託單位是中國科學院計算技術研究所。

計算機體系結構國家重點實驗室定位於計算機體系結構領域的應用基礎研究，目標是立足於國際學科發展前沿，圍繞國家信息領域對高端計算裝備的重大需求，在高端計算體系結構、微體系結構、測試與容錯計算、編譯與編程研究方向保持國內領先水平，在非傳統體系結構的某些關鍵領域取得國際引領性成果，在超並行計算機系統、高性能高可靠處理器相關領域服務於國家戰略目標，為未來計算機系統的發展提供科學技術依據。

計算機體系結構國家重點實驗室是國內計算機系統結構二級學科首家國家重點實驗室，整體水平已進入體系結構學術研究世界一流之列。

近年來，實驗室圍繞以數據為中心的新型體系結構和系統設計，在國際上率先開展了深度學習處理器、高通量計算的新方向研究，得到國際計算機體系結構界的廣泛認同和跟隨。

（計算機體系結構國家重點實驗室供圖）

《中國科學報》 （2020-08-04 第4版 聚焦）

編輯 | 趙路

排版 | 郭剛

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