“計(jì)算”未來(lái)——走進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
中國(guó)工程院院士、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任孫凝暉 楊天鵬攝
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任李曉維（右）在檢查硬件安全設(shè)計(jì)
中國(guó)開放指令生態(tài)聯(lián)盟成立
“寒武紀(jì)”芯片
最近幾年，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所所長(zhǎng)孫凝暉覺(jué)得自己的脾氣明顯變急了?！坝?jì)算所歷史上做得很不錯(cuò)，我站在巨人的肩膀上，本來(lái)也能舒舒服服過(guò)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(zhǎng)，孫凝暉還兼任計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主任。他很清楚，中國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)很大，但要真正變強(qiáng)，是路漫且艱的。而作為我國(guó)在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方向的首個(gè)“國(guó)字號(hào)”實(shí)驗(yàn)室，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從誕生之初，就承擔(dān)著將中國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)的歷史重任。
“我們不會(huì)做那種只有一兩個(gè)用戶的技術(shù)，也不會(huì)去做改良式的創(chuàng)新，這些都不是國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的使命。要做，我們就要做對(duì)產(chǎn)業(yè)有深遠(yuǎn)影響的工作，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室要成為技術(shù)創(chuàng)新的源頭?！睂O凝暉說(shuō)。
如何續(xù)寫“高光時(shí)刻”
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以說(shuō)是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱計(jì)算所）的立所之本。從參與成立我國(guó)第一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)小組，先后研制成功我國(guó)首臺(tái)通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)、“兩彈一星”功勛機(jī)109丙機(jī)至今，計(jì)算所在體系結(jié)構(gòu)前沿基礎(chǔ)研究、高端計(jì)算和微體系結(jié)構(gòu)核心技術(shù)攻關(guān)、高性能計(jì)算機(jī)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(tuán)隊(duì)。
“從計(jì)算所的發(fā)展歷史看，剛建所的30年是我們的‘高光時(shí)刻’，體系結(jié)構(gòu)是我們立所的一個(gè)學(xué)科方向，但在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，我們都沒(méi)有重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這說(shuō)明我們做的工作里，原創(chuàng)的東西是不夠的。”孫凝暉坦言，“如果我們?nèi)狈υ瓌?chuàng)的東西，就會(huì)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(méi)得可學(xué)了，怎么辦？”計(jì)算所人捫心自問(wèn)。
隨著摩爾定律的放緩，計(jì)算機(jī)和處理器的發(fā)展在可靠設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、低功耗設(shè)計(jì)等方面面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，世界各國(guó)都在爭(zhēng)取原理上的創(chuàng)新。而我國(guó)這方面的研究分散在通信、物理、生物等各個(gè)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(guó)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(gè)別發(fā)達(dá)國(guó)家控制，導(dǎo)致我國(guó)企業(yè)在國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈中核心競(jìng)爭(zhēng)力弱、缺乏話語(yǔ)權(quán)。
無(wú)論是自身前進(jìn)的動(dòng)力，還是國(guó)家發(fā)展的需要，都意味著計(jì)算所這支信息技術(shù)領(lǐng)域的“國(guó)家隊(duì)”不能再躺在功勞簿上睡大覺(jué)。
他們必須向改革要明天！
2006年，中科院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立；2011年，該實(shí)驗(yàn)室獲批“升格”。至此，帶著計(jì)算所在體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域近50年深厚的科研積累，我國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的首個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。
“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)屬于計(jì)算機(jī)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(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)移和技術(shù)應(yīng)用，服務(wù)于國(guó)家重大需求，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展?！睂O凝暉說(shuō)。
所以，這支既年輕又資深的隊(duì)伍，面臨的頭等大事，就是如何用好國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室這塊“金字招牌”，將中國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)水平再推上一個(gè)新的高度。
系統(tǒng)思維鑄就“團(tuán)魂”
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立之初，設(shè)立了高端計(jì)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(cuò)計(jì)算，以及非傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等5個(gè)研究方向。
“這5個(gè)研究方向的確定有一定的機(jī)緣，源于我們有一段時(shí)間的反思?！庇?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、計(jì)算所研究員李曉維說(shuō)，“這幾個(gè)方向，前四個(gè)方向涵蓋了計(jì)算所60年的歷史積累，第五個(gè)方向則是對(duì)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一種把握。我們想通過(guò)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(xiàn)力量?！?/p>
以李曉維所從事的測(cè)試與容錯(cuò)計(jì)算為例，芯片的研制很難一次成功，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)就要進(jìn)行故障診斷，其中最關(guān)鍵的就是定位精度。而一個(gè)動(dòng)輒幾十億個(gè)晶體管的芯片出了故障，究竟是定位到10萬(wàn)個(gè)晶體管的范圍，還是定位到50個(gè)晶體管的范圍，后續(xù)的工作量有數(shù)量級(jí)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(guó)外公司掌握，前段時(shí)間，這些公司先后宣布對(duì)中國(guó)某企業(yè)實(shí)施封鎖，導(dǎo)致該企業(yè)遇到了難題，該企業(yè)找到了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室尋求幫助。
幸運(yùn)的是，他們找對(duì)了人。李曉維團(tuán)隊(duì)在故障診斷領(lǐng)域有著長(zhǎng)期的積累，技術(shù)雖然沒(méi)有商業(yè)化，但在實(shí)驗(yàn)室的支持下，他們一直在不斷地精進(jìn)，目前定位精度已經(jīng)達(dá)到國(guó)際公開報(bào)道的最高水平，一舉讓企業(yè)突破了瓶頸。
這個(gè)“備胎一夜轉(zhuǎn)正”的故事讓李曉維深刻地感受到國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室體制的優(yōu)勢(shì)?！叭绻怯龅搅藛?wèn)題再?gòu)牧汩_始，那我們肯定做不到現(xiàn)在這樣。但實(shí)驗(yàn)室始終面向世界科技前沿、面向國(guó)家戰(zhàn)略需求做事，所以才能持續(xù)支持我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)?！?/p>
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、計(jì)算所研究員馮曉兵看來(lái)，有了國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，原先不同的課題組“各人自掃門前雪”的問(wèn)題就不存在了，大家可以真正把目光放長(zhǎng)遠(yuǎn)，從頂層設(shè)計(jì)入手，成體系地去做一些科研上的合作。“原來(lái)主要是你跟誰(shuí)比較熟，就合作多，現(xiàn)在都在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，大家平時(shí)的交流多了，能夠在更高層面上發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，一些工作就能夠更早地開展合作?！?/p>
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，這樣的系統(tǒng)思維是必不可少的。實(shí)際上，這也正是孫凝暉作為實(shí)驗(yàn)室主任所期望看到的。在他的構(gòu)想中，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室理應(yīng)為國(guó)家構(gòu)建一個(gè)完整的技術(shù)體系。
“原來(lái)我們是‘1+1’模式，一項(xiàng)技術(shù)或者一個(gè)設(shè)備，加上一個(gè)公司，就成了，過(guò)去計(jì)算所已經(jīng)把這個(gè)模式做透了?？墒怯辛藝?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室成系列的n個(gè)技術(shù)，去聯(lián)合m家高科技企業(yè)，共同構(gòu)建中國(guó)未來(lái)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(jìn)的主導(dǎo)權(quán)掌握在自己手里，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地?！彼f(shuō)。
青年才俊“分兵把守”
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，除了“大牛”，還有不少“網(wǎng)紅”，計(jì)算所研究員陳云霽就是一個(gè)。他與弟弟陳天石研制了國(guó)際上首個(gè)深度學(xué)習(xí)處理器芯片——“寒武紀(jì)”，被《科學(xué)》雜志評(píng)價(jià)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(gè)初出茅廬的“毛頭小子”，這個(gè)“80后”當(dāng)時(shí)想做人工智能與芯片設(shè)計(jì)的交叉研究，但他也沒(méi)想清楚，這個(gè)交叉研究到底能“叉”出些什么東西來(lái)。
“當(dāng)時(shí)這還是一個(gè)全新的方向，在國(guó)際學(xué)術(shù)界是不太受到認(rèn)可的，也基本上沒(méi)有相關(guān)的論文，申請(qǐng)科研經(jīng)費(fèi)更是不容易。”陳云霽說(shuō)。
他非常理解，如果僅僅從KPI（關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)）的角度考慮，沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室偏偏支持了。在“種子”階段，年輕人申請(qǐng)不到課題，實(shí)驗(yàn)室就從運(yùn)行經(jīng)費(fèi)里拿出錢來(lái)，支持他們開展探索性的研究；孫凝暉還帶著陳云霽去各個(gè)相關(guān)單位爭(zhēng)取相關(guān)資源，就這樣一步步幫著他發(fā)展起來(lái)。國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究還吸引了Olivier Temam等國(guó)外學(xué)者的參與，拓展了陳云霽等人的國(guó)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(lái)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(qǐng)得到批準(zhǔn)，成為中國(guó)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(zhǎng)為全球智能芯片領(lǐng)域的先行者。
“我們實(shí)驗(yàn)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(dòng)，再由實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)去判斷它的長(zhǎng)遠(yuǎn)價(jià)值，而并不是看國(guó)家有沒(méi)有立項(xiàng)，或者是不是國(guó)際熱點(diǎn)，不是跟著這樣任何一個(gè)指揮棒?！标愒旗V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(jì)算機(jī)科學(xué)本身就是一個(gè)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(gè)重要的路口?！睂O凝暉坦言，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室參加了首次評(píng)估，就獲得了“優(yōu)秀”的好成績(jī)，更成為近20年來(lái)信息領(lǐng)域唯一一家首次評(píng)估就獲得優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)室。
“做科研有時(shí)候就像打仗，講究體系化作戰(zhàn)。國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室不是一個(gè)步兵連，而是一個(gè)‘混成旅’，既要有坦克營(yíng)，又要有步兵連，更要有直升機(jī)團(tuán)，這樣我們才能集中力量辦成大事。這就是我們國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也是中科院最大的優(yōu)勢(shì)?！?/p>
正如孫凝暉所說(shuō)的那樣，未來(lái)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還將譜寫新篇，不斷點(diǎn)燃科技創(chuàng)新的星星之火，形成產(chǎn)業(yè)革命的燎原之勢(shì)。