清華微電子助力集成電路技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展

“高能效動態(tài)可重構(gòu)計算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)”項目獲2015年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎

學(xué)生記者 王也文

項目名稱：高能效動態(tài)可重構(gòu)計算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)

項目主要完成人：魏少軍、劉雷波、毛志剛、時龍興、尹首一、鄧玉良

項目介紹：本項目發(fā)明了硬件隨軟件變化而變化、軟硬件雙編程的高能效動態(tài)可重構(gòu)計算技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的基于硬件進行軟件編程的計算模式，實現(xiàn)了“電路跟隨算法變、架構(gòu)跟隨應(yīng)用變”的可重構(gòu)計算芯片，在保持靈活性的同時提升能量效率10倍以上。已申請發(fā)明專利73項，其中授權(quán)45項。發(fā)表SCI論文38篇，EI論文43篇。出版我國本領(lǐng)域第一部專著《可重構(gòu)計算》。關(guān)鍵技術(shù)已在信息安全芯片、可編程器件和可穿戴計算芯片上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
 
　　過去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。但近年來，由于軟件規(guī)模巨大和硬件資源受限等問題，集成電路的發(fā)展開始進入瓶頸期。而國內(nèi)集成電路尚未擺脫模仿和跟隨，更面臨著對外依存度高，缺少技術(shù)上的源頭創(chuàng)新等問題。
　　面對種種挑戰(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隊，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。在人民大會堂舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，團隊?wèi){借“高能效動態(tài)可重構(gòu)計算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)”這一項目獲得了2015年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎以及2015年中國專利金獎。該項目實現(xiàn)了軟硬件雙編程，有著高靈活性和高能量效率，為我國集成電路產(chǎn)品擺脫跟隨模仿、實現(xiàn)跨越提供了重要的戰(zhàn)略路徑，對我國集成電路領(lǐng)域的發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。

近十載，堅持探索不放松

　　魏少軍1995年從比利時回國后到清華任教。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產(chǎn)權(quán)的芯片和技術(shù)軟件的產(chǎn)品研發(fā)，是我國在該領(lǐng)域當(dāng)之無愧的領(lǐng)軍型人物。

魏少軍。

　　在魏少軍看來，可重構(gòu)計算芯片技術(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。“以專用集成電路為代表的專用計算，根據(jù)特定的應(yīng)用來定制電路結(jié)構(gòu)，其執(zhí)行速度快、功耗小、成本低，卻有一個致命缺陷——靈活性和拓展性差。而針對不同應(yīng)用需要設(shè)計不同的芯片，設(shè)計周期長，投入研發(fā)成本也高。但是可重構(gòu)計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，實現(xiàn)‘兵來將擋，水來土掩’。這不僅對學(xué)術(shù)具有重要的促進作用，對整個工業(yè)發(fā)展也有極大的推動作用，因此做這件事非常有意義。”魏少軍介紹說。

懷著推動人類科技發(fā)展的理想，2006年，魏少軍開始帶領(lǐng)團隊將目標(biāo)鎖定在了可重構(gòu)計算，在這條道路上，他們一走便是十年。

最終，項目團隊攻克了常規(guī)的配置—執(zhí)行交替計算模式難以發(fā)揮出陣列計算的優(yōu)勢、陣列規(guī)整性與應(yīng)用不規(guī)則性之間的固有矛盾導(dǎo)致的計算陣列能效低下、計算資源、路由和訪存等多元復(fù)雜因素相互作用難以實現(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態(tài)可重構(gòu)計算技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的基于硬件進行軟件編程的計算模式，實現(xiàn)了電路跟隨算法變、架構(gòu)跟隨應(yīng)用變的可重構(gòu)計算芯片，在保持靈活性的同時將其能效提升了10倍以上，極大地促進了我國在集成電路領(lǐng)域，尤其是芯片設(shè)計方面的發(fā)展。

談團隊，通力合作助成功

魏少軍團隊成立伊始，只有他本人、劉雷波、尹首一以及幾個本科剛畢業(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)展可以說是舉步維艱。四處奔波是大家那些年生活的真實寫照，為了節(jié)約經(jīng)費，坐硬臥出差是家常便飯，買不到坐票就站完全程也時有發(fā)生。此外，團隊沒有多余的資金去聘請專業(yè)工程師，他們只能在研發(fā)之余，“自己動手，豐衣足食”。“十年時間，學(xué)生們都畢業(yè)了好幾撥了，一代一代累加才出來當(dāng)前這樣的成果。”魏少軍感慨地說。

談及五年前團隊在無錫研發(fā)時的艱苦經(jīng)歷，劉雷波至今記憶猶新：“當(dāng)時，師生們在工地做開發(fā)做了差不多兩年時間，項目完成后又應(yīng)要求做了一個演示系統(tǒng)。可是做好的那個演示系統(tǒng)經(jīng)常死機，又面臨著專家要來驗收，時間十分緊迫。所以大家就拼命趕，不斷地調(diào)試，很多時候飯也顧不上吃。終于功夫不負(fù)有心人，驗收時一切進展得很順利，每個人可算長舒了一口氣，真的不容易。”

后來，隨著項目逐步做大，團隊中也漸漸加入了一批工程經(jīng)驗豐富的工程師。如此一來，師生們便可剝離出來，專心致志地完成項目方法構(gòu)思和理論設(shè)計部分，而工程實現(xiàn)則交給工程師來完成。正是源于這樣明確的分工和“新老傳幫帶”的無私精神，多年來，魏少軍團隊雖然時有“新鮮血液”不斷輸入進來，卻能保持有條不紊地運作，取得了豐碩的科研成果。

在魏少軍和劉雷波看來，團隊之所以能取得一些成績，離不開每位成員吃苦耐勞、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持。

“可重構(gòu)計算的想法早在1960年就有人提出，但是在2000年之后才引起重視，之后有很多團隊和個人都在這個領(lǐng)域做研究，但大都沒有堅持下來。在我們團隊中，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，同時又了解國家在這個層面上的需求，從精準(zhǔn)而深刻的視角出發(fā)，我們才能瞄準(zhǔn)領(lǐng)域進而展開攻關(guān)。同時，項目組里每個人都有一股韌勁，不達目標(biāo)不罷休。正是源于這樣良好的氛圍，我們的項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。

論科研，需求驅(qū)動促發(fā)展

簡單純粹，刻苦勤奮。多少年來，魏少軍團隊并不刻意追求科研成果的申報，而是踏實思考，憑著對科學(xué)的熱愛和刻苦勤奮的工作，攻下了一個又一個科研難題。“我們擁有一支優(yōu)秀的團隊，他們不僅有堅定的信念和科學(xué)的研究方法，而且注重團結(jié)協(xié)作、優(yōu)勢互補、各盡所能。”魏少軍說。

可重構(gòu)計算芯片的任務(wù)編譯器。

可重構(gòu)計算芯片以運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，實現(xiàn)了軟硬件雙編程。在可重構(gòu)計算芯片中，應(yīng)用任務(wù)中的每一個運算都可以在陣列中找到對應(yīng)的單元，單元間的互連與任務(wù)實現(xiàn)了一一對應(yīng)，由此獲得了可以比擬專用電路的能量效率，真正實現(xiàn)了在保持可重構(gòu)計算處理器靈活性的同時，提升其能量效率。目前，魏少軍團隊針對可重構(gòu)計算芯片技術(shù)又研發(fā)出思考者（Thinker）多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算芯片，這是世界上首枚利用可重構(gòu)計算芯片技術(shù)實現(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呻娐肥袌鰜磉M行通用芯片技術(shù)的研發(fā)。

談及帶領(lǐng)團隊進行科研攻關(guān)的心得，魏少軍說他相信“埋頭干活，抬頭看天”這一古老的智慧箴言。“科學(xué)研究是一個循序漸進的過程，沒有一蹴而就的。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，也要在必要的時候停下來看一看——了解國際上最新的發(fā)展趨勢是什么，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)前的實際應(yīng)用結(jié)合起來。”

“未來的路還很長，我們相信，將來會有更多新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)，會產(chǎn)生更為出色的科研成果，為祖國的集成電路技術(shù)發(fā)展作出更多、更大的貢獻。”魏少軍暢想著未來，充滿希望。

來源：新清華 2016-11-4

    （清華新聞網(wǎng)11月7日電）

編輯：徐靜