“核高基”引路者

来源:北京日报 作者:任敏 时间:2019-08-23
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魏少军及其团队研发出“思考者”(Thinker)多模态神经网络计算芯片,为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。

北京,创新之城;人才,创新之源。70年来,首都科技事业取得骄人成就,离不开一代又一代科技工作者的艰苦奋斗、不懈付出。 从今天起,本报与市科委共同推出“科技之星·初心”专栏,聚焦首都科研战线上那些耀眼的科学大家、领军人才、科技之星和创新团队,寻访他们攀登科学高峰路上的初心故事。

61岁的魏少军更像是我国“核高基”引路者。“核高基”是核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品的简称。不论是学术会议、大型论坛,还是电视讲坛,魏少军总不忘介绍集成电路企业人才不足的现状、剖析中国芯片产业高质量发展的痛点、阐释未来的发展路径。他念兹在兹的就是做强中国“芯”。

这是一位国产芯片“先行者”的初心。

从成为邮电部邮电科学研究院半导体所的学徒工开始,魏少军的“芯”路历程,以每十年一个台阶,向前突破。

第一个十年,他跳过高考自学考上清华大学硕士研究生,出国参与芯片设计;

第二个十年,他在比利时读博之后留校任教,钻研芯片设计理论;

第三个十年,他回国带领团队实现IC电话卡芯片和SIM卡芯片国产化;

第四个十年,他回到清华大学任教,并攻克高能效动态可重构计算及其系统芯片关键技术。

如今,他的团队还在AI芯片、CPU硬件安全行为监控芯片和智能化芯片上发力,在强“芯”之路上不断寻求新的突破。

1 国产IC电话卡芯片打破垄断

坐在清华大学FIT楼三层的办公室,魏少军愉快地打开话匣子。

早在中学时,他就是无线电“发烧友”。作为“50后”,他们这代人的中小学学业几乎荒废。为了拴住他的注意力,在中科院电子所工作的父亲亲自上阵,教授他无线电知识。魏少军为此着了迷,经常与几个志同道合的小伙伴交流,课余时间就在设计电路图、焊接电路板、调试设备中度过。

他还记得,那时候最开心的是骑着自行车满世界找元器件,“廊房二条、灯市口的八面槽、高碑店,这些地方我们都去过,饿了就花三毛钱买一碗面或者炒饼。”中学时期,他亲手组装过十几台收音机和电视机,超强的动手能力为日后从事芯片研究打下了坚实基础。

高中毕业,魏少军来到邮电部邮电科学研究院半导体所当学徒工。1977年,他首次参加高考,考取北方交通大学运筹学专业,却因担心“从事火车调度出事故”,没去报到。

第二年暑假,看到昔日小伙伴变身“天之骄子”,他深受刺激,做出一个更为大胆的决定:跳过高考,直接考研。三年时间,他自学了《高等数学》《普通物理》等几乎所有大学课程,光是做习题的演算纸就攒了两麻袋。

1984年,两度考研之后的他终于成为清华大学无线电系信号与系统专业研究生。毕业之后,他通过中国与比利时的国际合作项目,在比利时读博、留校任教。

上世纪90年代,国内科技事业发展蒸蒸日上。一段小插曲,让他内心的天平向祖国倾斜。1994年,他到清华微电子所交流如何做芯片设计,当时国内常规操作是反向设计,而魏少军讲述的是正向设计,即先明晰原理,确定设计思路,再按照构想一步步实现。台下的听众对此感到很神奇。这种巨大的差异让魏少军很受触动,“我感到,自己有责任为祖国芯片研发贡献力量。”

1995年,魏少军回到清华任教,同时在邮电部电信科学技术研究院兼职(实际是全职工作,人事关系在清华),担任新成立的集成电路设计中心(大唐微电子技术有限公司前身)主任,开启芯片国产化设计之路。

20多年前,中国盛行排队打IC卡电话。小小一张电话卡,可储值、可反复使用,其中的奥秘在于内部镶嵌的集成电路芯片。这种芯片起初被国外垄断,每张卡的价格高达一美元。

魏少军的第一个项目就瞄准了IC电话卡芯片,他争取到邮电部重点科技发展项目,带着团队没日没夜地奋战。“当时不知道怎么做设计,也不知道到哪里生产,几乎是从零起步。”他说,电话卡芯片是特殊工艺,当时国际上流行的是NMOS工艺,但国内只能生产CMOS,后者多了一支管子,意味着成本上升一倍。为了降低成本,他们只好从精细设计上下功夫。

两年后,米粒大小的芯片诞生了!这是我国第一枚完全自主知识产权、完全国产化的IC电话卡芯片,打破了当时完全依靠进口的局面。“1999年,大唐微电子的IC电话卡销售额达到两千万元,第二年增至上亿元,这也是我国第一枚销售额上亿元的国产化芯片。”魏少军自豪地说。

2 开放专利使更多人受益

初战告捷,魏少军团队又有了新的目标——SIM卡芯片。本世纪初,移动通信开始流行,进口的SIM卡卖到10美元一张。研制SIM卡芯片,意味着要打破国外知识产权的垄断,另辟蹊径。

当时,SIM卡芯片采用的是可擦除可编程只读存储器(英文简称E2PROM),但国际上普遍采用的E2PROM,国内没有。上海一家厂商有Flash技术,但之前主要用于生产存储器。

用Flash技术做SIM卡芯片,魏少军又成了“第一个吃螃蟹的人”。这一技术的特点在于,Flash密度较高、容量大,但灵活性差、可靠性差。要保证可靠性,魏少军想到的对策是,“把芯片做大一点,今天用这块,明天用那块,只要知道哪块坏了,尽量避开就行。”他们又研发出坏块自我检测技术,使用过程中,一旦知道坏块,就把数据搬移到好块上去。除此之外,他们还在SIM卡上首创软件后期写入模式,也就是说,只需要准备一种芯片,相应的软件、程序后期加载即可。

基于SIM卡技术,他们申请了好几十件专利。当时,国内某移动通信公司提出建议,放弃专利的利益索取权利,也就是说开放专利,以便更多人使用。利益诱惑,不是没有,但魏少军大度允诺,“只要能进入市场,无所谓,那放弃吧。”

时至今日,国内老百姓使用的SIM卡芯片仍受益于魏少军团队当年的技术。如果收取专利费用,那收入不可估量。对此,魏少军淡然一笑,“一个技术,如果开始就管人家收费,别人都不用,那你什么都不是。开放专利,让产业成长起来,这是最好的。”

当年,他们将一张SIM卡定价在27元人民币,只有进口SIM卡的三分之一。大唐微电子2004年、2005年连续两年销售量都在十几亿元,位居国内第一,由此也带来国内市场的繁荣,并促使国产SIM卡芯片全球市场占有率超三分之一。

此后,魏少军成为大唐电信科技股份有限公司总裁,干了三四年之后,他突然感觉“真的干不动了”。

“自己的能力受到很大挑战。”他后来自我剖析:自己是干技术出身,技术情结较重;管理企业,经营上市公司则不一样,除了技术,还要兼顾经营等更多因素;另外,作为管理者需要一股狠劲儿,而自己内心柔软。

他想回归技术。2005年,就在国资委计划把他调离清华大学,全职到大唐当总工程师时,清华大学挽留了他,“你不能走,这对清华损失太大了。你回来吧!”

就这样,魏少军留在了清华大学,从企业高管变回大学教授。

3 领先打造芯片界“变形金刚”

2006年回归清华大学后,魏少军几乎一切归零,团队要从头组建,研究方向也要重新考量。起初,团队里只有年轻教师刘雷波、尹首一和几名研究生。

四处奔波成为家常便饭。为了节约经费,大家出差就坐硬座,甚至站票。团队没有多余的资金去聘请专业工程师,只能在研发之余,自己动手。

即便困难重重,魏少军心里也思忖着,未来十年,到底什么会成为热点?根据摩尔定律,芯片行业每18个月进步一代,如此推进,到2016年集成电路工艺可能会达到20纳米以下。他们据此计算,如果芯片水平达到14纳米,那开发一枚芯片的成本需要几千万美元,甚至上亿美元,一定要批量生产才能盖住研发费用。不过,现实中的情况是,市场上大概有六七成产品为专用集成电路芯片,它们根据特定应用来定制电路结构,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。另外,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。

魏少军设想,“有没有一种办法,通过软件改变芯片的功能,让一种芯片适应各种不同的应用?”

这个概念,即所谓可重构芯片,早在上世纪60年代就有国外学者提出,但直到2000年之后才引起重视,也成为集成电路领域炙手可热的焦点。

花了三年时间,魏少军团队才明晰思路。通过构建特别的计算单元,把计算单元变成阵列,阵列当中每一个计算单元的功能都可以定义,而且这些计算单元之间相互连线,也可随时定义或者编程。由此,软件怎么写,就把它直接映射到计算单元中去,让芯片实现相应的功能。

他打了一个巧妙的比喻,可重构计算芯片让芯片成了“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”。

凭借“高能效动态可重构计算及其系统芯片关键技术”,魏少军团队获得2015年度国家技术发明奖二等奖及2015年中国专利金奖。

更令人瞩目的是,该项目比美国国防部高级研究计划局(DARPA)2017年提出的电子振兴计划(ERI)所规划的软件定义硬件技术早提出10年,且重构速度比ERI规划的2022年指标快5倍以上。

基于可重构芯片技术,魏少军和他的团队研发出“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。从他们团队孵化的创业公司清微智能已开启“思考者”的量产。

当前,在信息安全领域,CPU安全至关重要。传统思路是,从数以亿万计的晶体管中找出只有几十颗晶体管的木马。显然,这无异于大海捞针。这个难题困扰了团队很长时间,“想破头还是束手无策。”有一天,坐在办公室的魏少军突然“脑洞大开”,“既然找不出来坏的,那我看着好的就行,物极必反!”基于此,魏少军提出CPU异常行为监测管控技术,并研制出全球唯一报道的可被全程监管的CPU。目前,上海的澜起科技基于此研发出了“津逮”CPU。

当下,深度学习大行其道,能否让芯片也不断学习,变得越来越聪明?魏少军团队又瞄准新的目标,“我们把机器学习和训练也放在芯片上,让芯片运算功能最后能够反馈回来,自己教自己,不断训练让自己变好。这就是一个智能化的芯片,是我们下一步的目标。”

4 推进“核高基”产业发展

基于之前在集成电路等相关领域的成就,八年前,魏少军成为我国“核高基”国家科技重大专项的技术总师。

“核高基”是对核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品的简称,在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中名列第一。过去,相当长一段时间内,我国“核高基”领域“缺芯少魂”,产品依赖进口,核心技术受制于人。从2011年开始,魏少军成为这一重大专项的技术总师。他透露,截至2017年我国核心电子器件关键技术取得重大突破,总体技术水平实现了跨越式发展,核心电子器件与国外差距由15年以上缩短到5年。核心电子器件长期依赖进口的“卡脖子”问题得到缓解,支撑装备核心电子器件自主保障率从不足30%提升到85%以上。

作为技术总师,魏少军要负责规划国家“核高基”发展计划、实施内容并选择合适的路径,通过项目带动企业、高校、科研院所共同进步,从而提升产业整体水平。

这样的角色,促使他既要不断学习,又要巧妙借助专家组的智慧把握方向,还要不断说服业内同行共同参与。同行们时常看到,魏少军走上学术会议、大型论坛、电视讲坛,成为“核高基”的引路者。在魏少军看来,无论作为技术总师,还是作为集成电路行业资深设计者,“我有责任向更多人宣传‘核高基’的技术理念,带领大家把产业向前推进。”

魏少军

清华大学和北京大学双聘教授,清华大学微纳电子学系主任、微电子所所长,“核高基”国家科技重大专项技术总师,中国电子学会会士,国际电气和电子工程师协会会士。

他致力于超大规模集成电路设计方法学研究、高层次综合技术研究、嵌入式系统设计技术研究、可重构芯片技术研究,在上述领域发表论文200余篇,出版专著5部,拥有数十项中国和美国发明专利。他曾先后获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、教育部技术发明一等奖等省部级奖6项,以及中国科协“求是”杰出青年奖、国际半导体产业协会(SEMI)突出贡献奖等。


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