“計算”未來——走進計算機體系結構國家重點實驗室
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）在檢查硬件安全設計
中國開放指令生態聯盟成立
“寒武紀”芯片
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。”
嘴上的急源于心里的急。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，先后研制成功我國首臺通用數字電子計算機、“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里，我們都沒有重點實驗室。這說明我們做的工作里，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，核心芯片研制能力弱也是我國信息產業的短板，處理器、系統軟件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。
“計算機體系結構屬于計算機學科的‘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，服務于國家重大需求，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，源于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，芯片的研制很難一次成功，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，后續的工作量有數量級的差距，直接決定著芯片的研發速度。
此前，精確的芯片故障診斷技術主要由三家國外公司掌握，前段時間，這些公司先后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道的最高水平，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”和“領導者”。
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。”陳云霽說。
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——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準，成為中國人工智能芯片的第一股。如今的“寒武紀”，已經從昔日的“非主流”，成長為全球智能芯片領域的先行者。
“我們實驗室選擇支持什么樣的課題，一是看科研人員發自內心的驅動，再由實驗室領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，計算機體系結構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、工業互聯網芯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。