二十年前，大額的算術(shù)運算通常需要借助計算器，街頭時尚的青年兜里揣著MP3，卡片相機(jī)里存滿生活剪影。而今，一部手機(jī)便可實現(xiàn)上述所有功能，更不用說那些日益智能的、如同科幻電影一般的高科技設(shè)計。將眾多專用領(lǐng)域融入到一塊高能效的通用人工智能芯片里、使人工智能計算順利地從云端下沉到邊緣設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點，這是清華大學(xué)微電子所魏少軍教授及其團(tuán)隊一直追求的目標(biāo)。
今年，魏少軍教授獲得2020年度IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會，是世界上最大的非營利性專業(yè)技術(shù)學(xué)會，致力于電氣、電子、計算機(jī)工程等領(lǐng)域的開發(fā)和研究）產(chǎn)業(yè)先驅(qū)獎，這既是對他在當(dāng)代計算機(jī)和通信系統(tǒng)智能芯片等領(lǐng)域開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的認(rèn)可，也是對從設(shè)計到批量生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的極高市場價值的肯定。魏少軍表示，這一獎項是國際學(xué)術(shù)界對他所取得的成就和整個團(tuán)隊科研能力的認(rèn)可。但科學(xué)永無止境，他與集成電路的故事未完待續(xù)。
魏少軍認(rèn)為，選擇科研方向要注重“頂天立地，面向主流”。“頂天”，即在思維上站到世界最前沿。古語有云，“不畏浮云遮望眼，自緣身在最高層。”科研的創(chuàng)新高度取決于眼界的高度，我們要有大刀闊斧改革的勇氣，和時代并肩，此之謂斷代式創(chuàng)新。“立地”和“主流”則對研究方向的實用性提出了更高的要求。人的社會屬性決定了其所作所為不可能脫離現(xiàn)實生活，因此高懸云端的科研成果最終需要“落地”，在千家萬戶生根。
僅是確定這個“頂天立地、面向主流”的研究方向，魏少軍及其團(tuán)隊就花了三年時間。從學(xué)術(shù)層面講，芯片小型化有其物理和經(jīng)濟(jì)極限，且現(xiàn)有的芯片在計算效率、功耗和靈活性方面存在固有的缺陷。所以，架構(gòu)創(chuàng)新可能是實現(xiàn)芯片智能化的唯一途徑。從產(chǎn)業(yè)層面講，當(dāng)集成電路沿著摩爾定律指示的趨勢變得越來越精細(xì)，研發(fā)成本將成為芯片設(shè)計和制造的最大阻力。此時，專用芯片已不足以滿足日漸分化的市場需求，架構(gòu)創(chuàng)新同樣會是突破瓶頸的必要條件。
魏少軍提出的可重構(gòu)計算架構(gòu)（又名“軟件定義芯片”）的原理在于：根據(jù)不同的應(yīng)用或算法來配置硬件資源，并將不同硬件資源的互連形成一個相對固定的計算通路，隨后在數(shù)據(jù)流的驅(qū)動下完成計算。通俗來講，即通過軟件實時、動態(tài)地定義硬件，更好地適應(yīng)算法的演進(jìn)和硬件功能的選擇，從而把昂貴的研發(fā)費用攤銷到不同的應(yīng)用中去。價格降低后，此類芯片可以更容易地被市場接納，遂得以形成良性循環(huán)。以往很多芯片在能效比和通用性上往往不能兩全，而可重構(gòu)計算架構(gòu)試圖實現(xiàn)的，是接近中央處理器（CPU）的靈活性和專用集成電路（ASIC）的執(zhí)行效率的完美結(jié)合。
魏少軍最初帶領(lǐng)清華團(tuán)隊展開可重構(gòu)技術(shù)研究時，整個集成電路行業(yè)正處在向納米級邁進(jìn)的前夜，既要面對技術(shù)突破的重重困難，更要克服捉襟見肘的人才資源。因此，在那時提出可重構(gòu)技術(shù)的設(shè)想需要極大的定力和勇氣。
現(xiàn)如今，一方面，經(jīng)過團(tuán)隊多年的努力，前進(jìn)道路上的技術(shù)難點逐漸得到解決，可重構(gòu)芯片技術(shù)從概念走向成熟，成為諸多應(yīng)用領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，也逐漸成為當(dāng)代集成電路設(shè)計領(lǐng)域的熱點研究方向。近期，魏少軍團(tuán)隊又率先將可重構(gòu)多模態(tài)智能芯片從實驗室引入市場，此舉具有無可非議的前瞻性。另一方面，頂尖人才的培養(yǎng)問題仍然道阻且長。在清華的二十多年，魏少軍也持續(xù)探索集成電路領(lǐng)域的教學(xué)方式。考慮到微納電子的交叉性和實踐性，他高度重視學(xué)習(xí)方法的傳授，提倡由外部測試引渡內(nèi)在原理。他將大部分思考的權(quán)力交由學(xué)生，給學(xué)生以必要的支持和適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。他主張校園為社會提供具有深厚學(xué)科基礎(chǔ)素質(zhì)的學(xué)子，社會再將學(xué)生身上的“校園氣”打磨成運籌千里的卓識。唯有如此，方可鑄成科研需要的高層次領(lǐng)軍型人才。他認(rèn)為最優(yōu)秀的學(xué)者必然會經(jīng)歷篳路藍(lán)縷的跋涉，才能最終登頂、一覽眾山。
“學(xué)如逆水行舟，不進(jìn)則退”，這句話對科學(xué)研究來說尤其準(zhǔn)確。“很多人都會想，逆水行舟太累了，不如順流而下更輕易。”魏少軍笑道，“但其實，越往下游你的勢能越小，隨之轉(zhuǎn)化的動能就越小，你人生發(fā)展的能力便會慢慢減弱。”
逆行的力量在于“敢為天下先”的勇氣和“經(jīng)世致用”的理想。從大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)到清華微電子研究所，魏少軍不斷求索著集成電路領(lǐng)域更多的可能性。智能卡芯片存儲架構(gòu)，使我國企業(yè)發(fā)展實現(xiàn)了飛躍；基于動態(tài)局部重構(gòu)機(jī)制的芯片安全增強(qiáng)技術(shù)，為芯片硬件安全問題的解決提供了全新思路；從專用芯片到可變結(jié)構(gòu)通用芯片的架構(gòu)構(gòu)想，解決了芯片靈活性與算力的問題。魏少軍不斷地將科幻變?yōu)楝F(xiàn)實。如他所言，“每突破一個瓶頸，你都會看到更廣闊的天地。”
創(chuàng)造來自智慧，又滋養(yǎng)了智慧。魏少軍談起設(shè)想中的通用人工智能芯片，如同家長談起自己的孩子：“我們盼望著今后的芯片能夠自己學(xué)習(xí)、成長，實現(xiàn)真正的‘人工智慧’。”
“去沖擊人生的高度，也要去做有用的事。”這是魏少軍給清華學(xué)生的寄語。“頂天立地，面向主流”的科研之路，也正等待著莘莘學(xué)子們奔赴。
