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清华“高能效动态可重构计算及其系统芯片关键技术”助力集成电路领域发展
金陵 2016-11-08
导语

清华大学魏少军教授团队发明了硬件随软件变化而变化、软硬件双编程的高能效动态可重构计算技术,突破了传统的基于硬件进行软件编程的计算模式,实现了“电路跟随算法变、架构跟随应用变”的可重构计算芯片,在保持灵活性的同时提升能量效率10倍以上。

项目名称:高能效动态可重构计算及其系统芯片关键技术

项目主要完成人:魏少军、刘雷波、毛志刚、时龙兴、尹首一、邓玉良

项目介绍:本项目发明了硬件随软件变化而变化、软硬件双编程的高能效动态可重构计算技术,突破了传统的基于硬件进行软件编程的计算模式,实现了“电路跟随算法变、架构跟随应用变”的可重构计算芯片,在保持灵活性的同时提升能量效率10倍以上。关键技术已在信息安全芯片、可编程器件和可穿戴计算芯片上实现产业应用。

过去15年中,集成电路领域持续高速发展,取得了令人瞩目的成绩。但近年来,由于软件规模巨大和硬件资源受限等问题,集成电路的发展开始进入瓶颈期。而国内集成电路尚未摆脱模仿和跟随,更面临着对外依存度高,缺少技术上的源头创新等问题。

面对种种挑战,清华大学微电子所教授魏少军、副教授刘雷波和尹首一团队,砥砺前行,在科研的原野上辛勤劳作了近十年,终于取得了创造性的智慧果实。在人民大会堂举行的国家科学技术奖励大会上,团队凭借“高能效动态可重构计算及其系统芯片关键技术”这一项目获得了2015年度国家技术发明奖二等奖以及 2015年中国专利金奖。该项目实现了软硬件双编程,有着高灵活性和高能量效率,为我国集成电路产品摆脱跟随模仿、实现跨越提供了重要的战略路径,对我国集成电路领域的发展具有重大现实意义。

近十载,坚持探索不放松

魏少军1995年从比利时回国后到清华任教。在此期间,他曾任电信科学技术研究院副总工程师,大唐电信科技股份有限公司总裁,致力于完全自主知识产权的芯片和技术软件的产品研发,是我国在该领域当之无愧的领军型人物。

图:魏少军教授

在魏少军看来,可重构计算芯片技术是集成电路领域非常有希望的差异化技术,具有广泛的适用性。“以专用集成电路为代表的专用计算,根据特定的应用来定制 电路结构,其执行速度快、功耗小、成本低,却有一个致命缺陷——灵活性和拓展性差。而针对不同应用需要设计不同的芯片,设计周期长,投入研发成本也高。但 是可重构计算芯片则让芯片成了‘变形金刚’——硬件跟着软件变,软硬件双编程,根据不同的应用需求,实现‘兵来将挡,水来土掩’。这不仅对学术具有重要的促进作用,对整个工业发展也有极大的推动作用,因此做这件事非常有意义。”魏少军介绍说。

怀着推动人类科技发展的理想,2006年,魏少军开始带领团队将目标锁定在了可重构计算,在这条道路上,他们一走便是十年。

最终,项目团队攻克了常规的配置—执行交替计算模式难以发挥出阵列计算的优势、阵列规整性与应用不规则性之间的固有矛盾导致的计算阵列能效低下、计算资源、 路由和访存等多元复杂因素相互作用难以实现映射优化三大技术难题,发明了硬件随软件变化而变化、软硬件双编程的高能效动态可重构计算技术,突破了传统的基于硬件进行软件编程的计算模式,实现了电路跟随算法变、架构跟随应用变的可重构计算芯片,在保持灵活性的同时将其能效提升了10倍以上,极大地促进了我国在集成电路领域,尤其是芯片设计方面的发展。

谈团队,通力合作助成功

魏少军团队成立伊始,只有他本人、刘雷波、尹首一以及几个本科刚毕业的学生。由于受限于资金技术等各方面的限制,他们的初期发展可以说是举步维艰。四处奔波是大家那些年生活的真实写照,为了节约经费,坐硬卧出差是家常便饭,买不到坐票就站完全程也时有发生。此外,团队没有多余的资金去聘请专业工程师,他们只能在研发之余,“自己动手,丰衣足食”。“十年时间,学生们都毕业了好几拨了,一代一代累加才出来当前这样的成果。”魏少军感慨地说。

谈及五年前团队在无锡研发时的艰苦经历,刘雷波至今记忆犹新:“当时,师生们在工地做开发做了差不多两年时间,项目完成后又应要求做了一个演示系统。可是做好的那个演示系统经常死机,又面临着专家要来验收,时间十分紧迫。所以大家就拼命赶,不断地调试,很多时候饭也顾不上吃。终于功夫不负有心人,验收时一切进展得很顺利,每个人可算长舒了一口气,真的不容易。”

后来,随着项目逐步做大,团队中也渐渐加入了一批工程经验丰富的工程师。如此一来,师生们便可剥离出来,专心致志地完成项目方法构思和理论设计部分,而工程实现则交给工程师来完成。正是源于这样明确的分工和“新老传帮带”的无私精神,多年来,魏少军团队虽然时有“新鲜血液”不断输入进来,却能保持有条不紊地运作,取得了丰硕的科研成果。

在魏少军和刘雷波看来,团队之所以能取得一些成绩,离不开每位成员吃苦耐劳、共同拼搏的可贵精神,而更要的则是精准而深刻的视角与持之以恒的坚持。

“可重构计算的想法早在1960年就有人提出,但是在2000年之后才引起重视,之后有很多团队和个人都在这个领域做研究,但大都没有坚持下来。在我们团队中,魏老师既有学术界的背景,也有着产业界的深厚资历,同时又了解国家在这个层面上的需求,从精准而深刻的视角出发,我们才能瞄准领域进而展开攻关。同时,项目组里每个人都有一股韧劲,不达目标不罢休。正是源于这样良好的氛围,我们的项目才走到了今天的高度,走在了集成电路发展的最前沿。”刘雷波说。

论科研,需求驱动促发展

简单纯粹,刻苦勤奋。多少年来,魏少军团队并不刻意追求科研成果的申报,而是踏实思考,凭着对科学的热爱和刻苦勤奋的工作,攻下了一个又一个科研难题。“我们拥有一支优秀的团队,他们不仅有坚定的信念和科学的研究方法,而且注重团结协作、优势互补、各尽所能。”魏少军说。

图:可重构计算芯片的任务编译器。

可 重构计算芯片以运算单元阵列为核心部件,由配置流和数据流共同驱动,实现了软硬件双编程。在可重构计算芯片中,应用任务中的每一个运算都可以在阵列中找到 对应的单元,单元间的互连与任务实现了一一对应,由此获得了可以比拟专用电路的能量效率,真正实现了在保持可重构计算处理器灵活性的同时,提升其能量效率。目前,魏少军团队针对可重构计算芯片技术又研发出思考者(Thinker)多模态神经网络计算芯片,这是世界上首枚利用可重构计算芯片技术实现深度神 经网络学习的芯片。“我们的可重构计算芯片技术在全球也处于领先地位。”魏少军表示,他们的目标是面向专用集成电路市场来进行通用芯片技术的研发。

谈及带领团队进行科研攻关的心得,魏少军说他相信“埋头干活,抬头看天”这一古老的智慧箴言。“科学研究是一个循序渐进的过程,没有一蹴而就的。如果我们浅尝辄止,浮躁地只追求结果,我想就不会有今天的成果。做科研要耐得住寂寞,要勇于探索,在拼命干活的同时,也要在必要的时候停下来看一看——了解国际上最新的发展趋势是什么,了解学术界和产业界的变化,才能不落伍,才能将我们的技术和当前的实际应用结合起来。”

“未来的路还很长,我们相信,将来会有更多新的挑战出现,会产生更为出色的科研成果,为祖国的集成电路技术发展作出更多、更大的贡献。”魏少军畅想着未来,充满希望。

(本文来源:清华大学新闻网;)

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文章评论(1)
柏岩[北京航空航天大学]

可作为高校老师带团队的榜样

2662天前 | 回复
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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科


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