“计算”未来

——走进计算机体系结构国家重点实验室

中国工程院院士、计算机体系结构国家重点实验室主任孙凝晖 杨天鹏摄

计算机体系结构国家重点实验室常务副主任李晓维（右）在检查硬件安全设计

中国开放指令生态联盟成立

“寒武纪”芯片

最近几年，中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所所长孙凝晖觉得自己的脾气明显变急了。“计算所历史上做得很不错，我站在巨人的肩膀上，本来也能舒舒服服过日子。可现在，经常走廊那头的同事都能听到我发火。”

嘴上的急源于心里的急。除了所长，孙凝晖还兼任计算机体系结构国家重点实验室的主任。他很清楚，中国计算机产业很大，但要真正变强，是路漫且艰的。而作为我国在计算机体系结构方向的首个“国字号”实验室，计算机体系结构国家重点实验室从诞生之初，就承担着将中国计算机产业做强的历史重任。

“我们不会做那种只有一两个用户的技术，也不会去做改良式的创新，这些都不是国家重点实验室的使命。要做，我们就要做对产业有深远影响的工作，国家重点实验室要成为技术创新的源头。”孙凝晖说。

如何续写“高光时刻”

计算机体系结构可以说是中国科学院计算技术研究所（以下简称计算所）的立所之本。从参与成立我国第一个计算机体系结构小组，先后研制成功我国首台通用数字电子计算机、“两弹一星”功勋机109丙机至今，计算所在体系结构前沿基础研究、高端计算和微体系结构核心技术攻关、高性能计算机和微处理器产业化中发挥了重要作用，也逐步培养起一支产学研全链条贯通的创新团队。

“从计算所的发展历史看，刚建所的30年是我们的‘高光时刻’，体系结构是我们立所的一个学科方向，但在长达半个世纪的时间里，我们都没有重点实验室。这说明我们做的工作里，原创的东西是不够的。”孙凝晖坦言，“如果我们缺乏原创的东西，就会掉入‘科技山寨’‘科技克隆’的陷阱。”

“当你跑到一定程度，想再往前跑，想学别人已经没得可学了，怎么办？”计算所人扪心自问。

随着摩尔定律的放缓，计算机和处理器的发展在可靠设计、性能优化、低功耗设计等方面面临越来越严峻的挑战，世界各国都在争取原理上的创新。而我国这方面的研究分散在通信、物理、生物等各个学科，而且大多是从器件层次上着手，缺乏从体系结构层次的整体考虑。另一方面，核心芯片研制能力弱也是我国信息产业的短板，处理器、系统软件等核心技术被个别发达国家控制，导致我国企业在国际产业链中核心竞争力弱、缺乏话语权。

无论是自身前进的动力，还是国家发展的需要，都意味着计算所这支信息技术领域的“国家队”不能再躺在功劳簿上睡大觉。

他们必须向改革要明天！

2006年，中科院计算机系统结构重点实验室成立；2011年，该实验室获批“升格”。至此，带着计算所在体系结构领域近50年深厚的科研积累，我国计算机系统结构领域的首个国家重点实验室——计算机体系结构国家重点实验室应运而生。

“计算机体系结构属于计算机学科的‘重工业’，成果不仅停留在发表论文，更应高度重视技术发明和原型系统，通过技术转移和技术应用，服务于国家重大需求，引领产业技术发展。”孙凝晖说。

所以，这支既年轻又资深的队伍，面临的头等大事，就是如何用好国家重点实验室这块“金字招牌”，将中国计算机系统的研发水平再推上一个新的高度。

系统思维铸就“团魂”

计算机体系结构国家重点实验室成立之初，设立了高端计算体系结构、微体系结构、编译与编程、超大规模集成电路与容错计算，以及非传统体系结构等5个研究方向。

“这5个研究方向的确定有一定的机缘，源于我们有一段时间的反思。”计算机体系结构国家重点实验室常务副主任、计算所研究员李晓维说，“这几个方向，前四个方向涵盖了计算所60年的历史积累，第五个方向则是对领域未来发展的一种把握。我们想通过这种设置，开展基础性、前沿性的研究，为学科可持续发展更好地贡献力量。”

以李晓维所从事的测试与容错计算为例，芯片的研制很难一次成功，出现问题时就要进行故障诊断，其中最关键的就是定位精度。而一个动辄几十亿个晶体管的芯片出了故障，究竟是定位到10万个晶体管的范围，还是定位到50个晶体管的范围，后续的工作量有数量级的差距，直接决定着芯片的研发速度。

此前，精确的芯片故障诊断技术主要由三家国外公司掌握，前段时间，这些公司先后宣布对中国某企业实施封锁，导致该企业遇到了难题，该企业找到了计算机体系结构国家重点实验室寻求帮助。

幸运的是，他们找对了人。李晓维团队在故障诊断领域有着长期的积累，技术虽然没有商业化，但在实验室的支持下，他们一直在不断地精进，目前定位精度已经达到国际公开报道的最高水平，一举让企业突破了瓶颈。

这个“备胎一夜转正”的故事让李晓维深刻地感受到国家重点实验室体制的优势。“如果是遇到了问题再从零开始，那我们肯定做不到现在这样。但实验室始终面向世界科技前沿、面向国家战略需求做事，所以才能持续支持我们这个团队。”

在计算机体系结构国家重点实验室副主任、计算所研究员冯晓兵看来，有了国家重点实验室，原先不同的课题组“各人自扫门前雪”的问题就不存在了，大家可以真正把目光放长远，从顶层设计入手，成体系地去做一些科研上的合作。“原来主要是你跟谁比较熟，就合作多，现在都在一个实验室，大家平时的交流多了，能够在更高层面上发现科学问题，一些工作就能够更早地开展合作。”

在计算机体系结构国家重点实验室工作，这样的系统思维是必不可少的。实际上，这也正是孙凝晖作为实验室主任所期望看到的。在他的构想中，国家重点实验室理应为国家构建一个完整的技术体系。

“原来我们是‘1+1’模式，一项技术或者一个设备，加上一个公司，就成了，过去计算所已经把这个模式做透了。可是有了国家重点实验室，我们的使命就不一样了，我们要去探索‘n+m’模式，也就是用实验室成系列的n个技术，去联合m家高科技企业，共同构建中国未来信息基础设施的技术体系。只有这样，我们才能真正把技术演进的主导权掌握在自己手里，才能在国际竞争中立于不败之地。”他说。

青年才俊“分兵把守”

在计算机体系结构国家重点实验室，除了“大牛”，还有不少“网红”，计算所研究员陈云霁就是一个。他与弟弟陈天石研制了国际上首个深度学习处理器芯片——“寒武纪”，被《科学》杂志评价为该方向的“先驱”和“领导者”。

退回几年前，陈云霁只是一个初出茅庐的“毛头小子”，这个“80后”当时想做人工智能与芯片设计的交叉研究，但他也没想清楚，这个交叉研究到底能“叉”出些什么东西来。

“当时这还是一个全新的方向，在国际学术界是不太受到认可的，也基本上没有相关的论文，申请科研经费更是不容易。”陈云霁说。

他非常理解，如果仅仅从KPI（关键绩效指标）的角度考虑，没有一个实验室会支持他做这样的事，毕竟他在做的事“既不能产钱，也不能产论文”。

但计算机体系结构国家重点实验室偏偏支持了。在“种子”阶段，年轻人申请不到课题，实验室就从运行经费里拿出钱来，支持他们开展探索性的研究；孙凝晖还带着陈云霁去各个相关单位争取相关资源，就这样一步步帮着他发展起来。国家重点实验室的研究还吸引了Olivier Temam等国外学者的参与，拓展了陈云霁等人的国际视野。

在开始的五六年里，陈云霁的成果的确不多，可是，厚积终于迎来了薄发——2020年6月2日，陈天石创立的寒武纪公司在科创板上市的申请得到批准，成为中国人工智能芯片的第一股。如今的“寒武纪”，已经从昔日的“非主流”，成长为全球智能芯片领域的先行者。

“我们实验室选择支持什么样的课题，一是看科研人员发自内心的驱动，再由实验室领导去判断它的长远价值，而并不是看国家有没有立项，或者是不是国际热点，不是跟着这样任何一个指挥棒。”陈云霁感慨，“只有在这种宽松的土壤里，才可能有‘寒武纪’的诞生。”

“计算机科学本身就是一个年轻的学科，所以我们也派年轻人去分兵把守，每人把守一个重要的路口。”孙凝晖坦言，计算机体系结构国家重点实验室自成立之日，就把“宝”押在年轻人身上，先后重用了一批像陈云霁这样的年轻人，也先后冒出了寒武纪芯片、开源芯片、高通量芯片、工业互联网芯片等有前景的新方向。

2017年，刚刚成立数年的计算机体系结构国家重点实验室参加了首次评估，就获得了“优秀”的好成绩，更成为近20年来信息领域唯一一家首次评估就获得优秀的实验室。

“做科研有时候就像打仗，讲究体系化作战。国家重点实验室不是一个步兵连，而是一个‘混成旅’，既要有坦克营，又要有步兵连，更要有直升机团，这样我们才能集中力量办成大事。这就是我们国家重点实验室也是中科院最大的优势。”

正如孙凝晖所说的那样，未来，计算机体系结构国家重点实验室还将谱写新篇，不断点燃科技创新的星星之火，形成产业革命的燎原之势。