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副主任李曉維（右）在檢查硬件安全設計。

中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟成立。

“寒武紀”芯片

■本報記者 丁佳

最近幾年，中國工程院院士、中國科學院計算技術(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。”孫凝暉說。

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科方向，但在長達半個世紀的時間里，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。”孫凝暉坦言，“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。”

“當你跑到一定程度，想再往前跑，想學別人已經(jīng)沒得可學了，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)展在可靠設計、性能優(yōu)化、低功耗設計等方面面臨越來越嚴峻的挑戰(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)國家重點實驗室應運而生。

“計算機體系結(jié)構(gòu)屬于計算機學科的‘重工業(yè)’，成果不僅停留在發(fā)表論文，更應高度重視技術(shù)發(fā)明和原型系統(tǒng)，通過技術(shù)轉(zhuǎn)移和技術(shù)應用，服務于國家重大需求，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)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(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。”計算機體系結(jié)構(gòu)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(lǐng)域未來發(fā)展的一種把握。我們想通過這種設置，開展基礎(chǔ)性、前沿性的研究，為學科可持續(xù)發(fā)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，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。“如果是遇到了問題再從零開始，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(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)科學問題，一些工作就能夠更早地開展合作。”

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�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(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)演進的主導權(quán)掌握在自己手里，才能在國際競爭中立于不敗之地。”他說。

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“大牛”，還有不少“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習處理器芯片——“寒武紀”，被《科學》雜志評價為該方向的“先驅(qū)”和“領(lǐng)導者”。

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”當時想做人工智能與芯片設計的交叉研究，但他也沒想清楚，這個交叉研究到底能“叉”出些什么東西來。

“當時這還是一個全新的方向，在國際學術(shù)界是不太受到認可的，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）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)立的寒武紀公司在科創(chuàng)板上市的申請得到批準，成為中國人工智能芯片的第一股。如今的“寒武紀”，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’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(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。”

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。

想要改變世界的年輕人

對于“一個國際頂尖實驗室應該長什么樣”這個問題，中科院計算所研究員、計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室先進計算機系統(tǒng)研究中心主任包云崗曾經(jīng)很認真地思考過。

最后，他得到的結(jié)論是“人”。

在國外做博士后的時候，包云崗接觸過一些在一流實驗室工作的人。在交流中他發(fā)現(xiàn)，這些人“上來就跟你講，他們要做的是改變世界的東西。不管他們最后能不能做成，普遍都是有這種心氣的”。

反觀國內(nèi)，“敢”去宣告自己要改變世界的科研人員并不多，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，包云崗覺得，來自組織的支持非常重要。

最近，包云崗就在做一件可能會改變世界的事——他想改變芯片研發(fā)領(lǐng)域的游戲規(guī)則。

“現(xiàn)在做芯片的門檻非常高，只有少數(shù)幾家公司能做。未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來以后，每個領(lǐng)域都需要芯片，但并不是每個領(lǐng)域都需要那種非常尖端的芯片。所以我們需要把芯片設計的門檻降低幾個數(shù)量級，讓大量從業(yè)人員可以參與進來，這樣才能夠形成一個繁榮的生態(tài)系統(tǒng)。”

包云崗所說的，就是“開源芯片”的概念。

比如設計一個腦機接口的芯片，主要功能就是捕捉一些人的神經(jīng)信號，然后進行一些處理。這種芯片規(guī)模很小，而且定制化程度很高，如果還用原來芯片開發(fā)的模式去做，既費時又費錢。如果用開源芯片去做，再加上敏捷開發(fā)的方式，一個很小的創(chuàng)業(yè)團隊就能很快把原型芯片開發(fā)出來。

包云崗感到，正如開源軟件支撐了整個互聯(lián)網(wǎng)一樣，開源芯片可能就是下一個重大機遇。“這個趨勢可能會對芯片產(chǎn)業(yè)帶來很大的沖擊和影響，而且相信在未來的5~10年就會發(fā)生。”

最開始，包云崗帶領(lǐng)一個小團隊，做了一些開源芯片相關(guān)的工作。隨著工作的深入，他對開源模式有可能改變現(xiàn)有芯片研發(fā)模式的預感愈加強烈。于是他向計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室主任孫凝暉匯報這些想法。

孫凝暉很重視，讓包云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(fā)揮國家重點實驗室的號召力，通過成立聯(lián)盟的方式去推動開源芯片的發(fā)展。

“可以看到，我們國家重點實驗室在戰(zhàn)略方向的把握上，是有一套很好的決策機制的。對于新生事物，實驗室領(lǐng)導層面能夠接受，然后通過群策群力，把大家的觀點、認識匯聚起來。”包云崗說。

經(jīng)過幾輪討論，包云崗更加堅定了這個方向是值得去做的。于是他的整個團隊都轉(zhuǎn)而全身心地投入到開源芯片的研究中。

2018年11月，中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟在浙江烏鎮(zhèn)召開的世界互聯(lián)網(wǎng)大會上宣告成立，旨在推動建立世界共享的開源芯片生態(tài)。聯(lián)盟吸引了幾十家科研機構(gòu)、大學、高科技企業(yè)及投資機構(gòu)加盟，包云崗任聯(lián)盟秘書長。

“目前在開源芯片這個領(lǐng)域，全世界范圍內(nèi)尚未形成定局，大家都有機會。”包云崗說，“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芯片，用開源芯片去改變世界。

（丁佳）

計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室簡介

計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室于2011年10月13日經(jīng)科技部批準建設，于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(yōu)秀”。實驗室的依托單位是中國科學院計算技術(shù)研究所。

計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室定位于計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用基礎(chǔ)研究，目標是立足于國際學科發(fā)展前沿，圍繞國家信息領(lǐng)域?qū)Ω叨擞嬎阊b備的重大需求，在高端計算體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)、測試與容錯計算、編譯與編程研究方向保持國內(nèi)領(lǐng)先水平，在非傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵領(lǐng)域取得國際引領(lǐng)性成果，在超并行計算機系統(tǒng)、高性能高可靠處理器相關(guān)領(lǐng)域服務于國家戰(zhàn)略目標，為未來計算機系統(tǒng)的發(fā)展提供科學技術(shù)依據(jù)。

計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室是國內(nèi)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二級學科首家國家重點實驗室，整體水平已進入體系結(jié)構(gòu)學術(shù)研究世界一流之列。近年來，實驗室圍繞以數(shù)據(jù)為中心的新型體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)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(jié)構(gòu)界的廣泛認同和跟隨。