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魏少军:手摘星辰为日新 脚踏实地以致用

二十年前,大额的算术运算通常需要借助计算器,街头时尚的青年兜里揣着MP3,卡片相机里存满生活剪影。而今,一部手机便可实现上述所有功能,更不用说那些日益智能的、如同科幻电影一般的高科技设计。将众多专用领域融入到一块高能效的通用人工智能芯片里、使人工智能计算顺利地从云端下沉到边缘设备和物联网结点,这是清华大学微电子所魏少军教授及其团队一直追求的目标。

今年,魏少军教授获得2020年度IEEE(电气和电子工程师协会,是世界上最大的非营利性专业技术学会,致力于电气、电子、计算机工程等领域的开发和研究)产业先驱奖,这既是对他在当代计算机和通信系统智能芯片等领域开创性贡献的认可,也是对从设计到批量生产过程中产生的极高市场价值的肯定。魏少军表示,这一奖项是国际学术界对他所取得的成就和整个团队科研能力的认可。但科学永无止境,他与集成电路的故事未完待续。

魏少军认为,选择科研方向要注重“顶天立地,面向主流”。“顶天”,即在思维上站到世界最前沿。古语有云,“不畏浮云遮望眼,自缘身在最高层。”科研的创新高度取决于眼界的高度,我们要有大刀阔斧改革的勇气,和时代并肩,此之谓断代式创新。“立地”和“主流”则对研究方向的实用性提出了更高的要求。人的社会属性决定了其所作所为不可能脱离现实生活,因此高悬云端的科研成果最终需要“落地”,在千家万户生根。

仅是确定这个“顶天立地、面向主流”的研究方向,魏少军及其团队就花了三年时间。从学术层面讲,芯片小型化有其物理和经济极限,且现有的芯片在计算效率、功耗和灵活性方面存在固有的缺陷。所以,架构创新可能是实现芯片智能化的唯一途径。从产业层面讲,当集成电路沿着摩尔定律指示的趋势变得越来越精细,研发成本将成为芯片设计和制造的最大阻力。此时,专用芯片已不足以满足日渐分化的市场需求,架构创新同样会是突破瓶颈的必要条件。

魏少军提出的可重构计算架构(又名“软件定义芯片”)的原理在于:根据不同的应用或算法来配置硬件资源,并将不同硬件资源的互连形成一个相对固定的计算通路,随后在数据流的驱动下完成计算。通俗来讲,即通过软件实时、动态地定义硬件,更好地适应算法的演进和硬件功能的选择,从而把昂贵的研发费用摊销到不同的应用中去。价格降低后,此类芯片可以更容易地被市场接纳,遂得以形成良性循环。以往很多芯片在能效比和通用性上往往不能两全,而可重构计算架构试图实现的,是接近中央处理器(CPU)的灵活性和专用集成电路(ASIC)的执行效率的完美结合。

魏少军最初带领清华团队展开可重构技术研究时,整个集成电路行业正处在向纳米级迈进的前夜,既要面对技术突破的重重困难,更要克服捉襟见肘的人才资源。因此,在那时提出可重构技术的设想需要极大的定力和勇气。

现如今,一方面,经过团队多年的努力,前进道路上的技术难点逐渐得到解决,可重构芯片技术从概念走向成熟,成为诸多应用领域的重要技术手段,也逐渐成为当代集成电路设计领域的热点研究方向。近期,魏少军团队又率先将可重构多模态智能芯片从实验室引入市场,此举具有无可非议的前瞻性。另一方面,顶尖人才的培养问题仍然道阻且长。在清华的二十多年,魏少军也持续探索集成电路领域的教学方式。考虑到微纳电子的交叉性和实践性,他高度重视学习方法的传授,提倡由外部测试引渡内在原理。他将大部分思考的权力交由学生,给学生以必要的支持和适当的指导。他主张校园为社会提供具有深厚学科基础素质的学子,社会再将学生身上的“校园气”打磨成运筹千里的卓识。唯有如此,方可铸成科研需要的高层次领军型人才。他认为最优秀的学者必然会经历筚路蓝缕的跋涉,才能最终登顶、一览众山。

“学如逆水行舟,不进则退”,这句话对科学研究来说尤其准确。“很多人都会想,逆水行舟太累了,不如顺流而下更轻易。”魏少军笑道,“但其实,越往下游你的势能越小,随之转化的动能就越小,你人生发展的能力便会慢慢减弱。”

逆行的力量在于“敢为天下先”的勇气和“经世致用”的理想。从大唐电信科技产业集团到清华微电子研究所,魏少军不断求索着集成电路领域更多的可能性。智能卡芯片存储架构,使我国企业发展实现了飞跃;基于动态局部重构机制的芯片安全增强技术,为芯片硬件安全问题的解决提供了全新思路;从专用芯片到可变结构通用芯片的架构构想,解决了芯片灵活性与算力的问题。魏少军不断地将科幻变为现实。如他所言,“每突破一个瓶颈,你都会看到更广阔的天地。”

创造来自智慧,又滋养了智慧。魏少军谈起设想中的通用人工智能芯片,如同家长谈起自己的孩子:“我们盼望着今后的芯片能够自己学习、成长,实现真正的‘人工智慧’。”

“去冲击人生的高度,也要去做有用的事。”这是魏少军给清华学生的寄语。“顶天立地,面向主流”的科研之路,也正等待着莘莘学子们奔赴。

    文字

    陶天野


    片设计

    李娜


    摄影

    李派


    编审
    戚天雷   周襄楠

    张歌明   张莉


    栏目统筹

    周襄楠 贺茂藤