筑夢(mèng)計(jì)算 加速人生
——記北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院特聘研究員羅國(guó)杰

本刊記者 衛(wèi)婷婷

羅國(guó)杰在2017ACM-ICPC現(xiàn)場(chǎng)

“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開(kāi)。”在到處都彌漫著生機(jī)與春意的四月里，正是人們放飛希望、展望未來(lái)的好時(shí)節(jié)。就在4月19日，北京大學(xué)也迎來(lái)了科研中的一抹春色。第42屆國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽（ACM-ICPC或ICPC）全球總決賽在北京大學(xué)落下帷幕，經(jīng)過(guò)激烈角逐后，北京大學(xué)代表隊(duì)在140支隊(duì)伍中脫穎而出，獲得了全球第三、亞洲第一的好成績(jī)。同時(shí)這也是北京大學(xué)代表隊(duì)在2014年獲得金牌第三名的突破性成績(jī)后，再次奪金。

賽場(chǎng)中，密切關(guān)注比賽狀況的指導(dǎo)老師羅國(guó)杰，在聽(tīng)到結(jié)果后終于長(zhǎng)舒一口氣，領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上的他也笑得格外燦爛。

被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域奧林匹克”的國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一項(xiàng)考驗(yàn)學(xué)生編寫(xiě)程序、分析和解決問(wèn)題能力的國(guó)際競(jìng)賽，從1970年第一屆舉辦開(kāi)始，在經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展后，它已經(jīng)成為全球最具影響力的大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽。“這是一個(gè)展示學(xué)生創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)精神于一體的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的舞臺(tái)，參與競(jìng)賽更是一種為校爭(zhēng)奪榮譽(yù)的體現(xiàn)。”從2012年開(kāi)始，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院特聘研究員羅國(guó)杰就擔(dān)任北京大學(xué)ACM競(jìng)賽的教練員，負(fù)責(zé)選拔、指導(dǎo)與培訓(xùn)學(xué)生等相關(guān)工作，這次北京大學(xué)作為東道主，自己的學(xué)生又能夠獲得這樣的好成績(jī)，羅國(guó)杰甚是欣慰。多年來(lái)，他一直在努力探索計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的奧秘，并在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、基于FPGA及新型器件的異構(gòu)計(jì)算以及醫(yī)學(xué)圖像分析算法等方向上，演繹出多彩的科研人生。

“芯”路歷程

如果要問(wèn)羅國(guó)杰對(duì)什么感興趣，也許他能想到的只有計(jì)算機(jī)了。2001年，一心向往北京大學(xué)濃厚學(xué)術(shù)氛圍的羅國(guó)杰，如愿來(lái)到北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系，經(jīng)過(guò)本科4年的學(xué)習(xí)，他對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)有了系統(tǒng)的了解。但計(jì)算機(jī)仿佛是個(gè)無(wú)底洞，越接觸就會(huì)越被它自身的魅力所吸引。于是，在老師的建議下，也為了繼續(xù)探索計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里更深層的秘密，2005年一畢業(yè)，羅國(guó)杰便遠(yuǎn)赴美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯校區(qū)學(xué)習(xí)，并相繼獲得了碩士與博士學(xué)位。

“本科期間主要重點(diǎn)集中于學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)，在碩士及博士期間則在書(shū)本中的基礎(chǔ)知識(shí)之外，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了更深入的研究?！绷_國(guó)杰表示。在國(guó)外求學(xué)期間，他專(zhuān)注于三維芯片布局和布圖等方面的研究，試圖在后摩爾定律時(shí)代進(jìn)一步提高芯片的集成度和性能。

他提到，要想提高芯片集成度和性能，當(dāng)時(shí)面臨著幾個(gè)急需解決的難題。新的制造工藝和新的集成技術(shù)是一方面；另一方面，即便有了可以應(yīng)用的工藝技術(shù)，但面對(duì)規(guī)模日益龐大的電路系統(tǒng)，又該如何對(duì)芯片的升級(jí)實(shí)現(xiàn)有效的設(shè)計(jì)呢？“這就涉及到設(shè)計(jì)自動(dòng)化的問(wèn)題?！绷_國(guó)杰說(shuō)道，但當(dāng)時(shí)缺乏的正是面向大規(guī)模三維芯片設(shè)計(jì)的自動(dòng)化布局方法。

羅國(guó)杰并不氣餒，他針對(duì)硅通孔（TSV）三維芯片布局設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作。他表示，與傳統(tǒng)二維芯片相比，三維芯片具有提高集成度、縮短時(shí)延、降低功耗、支持異構(gòu)集成等優(yōu)勢(shì)，那么能否將二維芯片的不利條件轉(zhuǎn)化為有利條件呢？為此，羅國(guó)杰利用三維折疊的理念，提出將二維布局轉(zhuǎn)換為三維布局的算法以及降低TSV數(shù)目和溫度的優(yōu)化技術(shù)。羅國(guó)杰將成果發(fā)表在《基于變換的三維芯片熱布局方法》這一論文中，并獲得第22屆亞洲及南太平洋電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議(ASP-DAC)十年最具影響力論文獎(jiǎng)，近年來(lái)，成果陸續(xù)被大多數(shù)關(guān)于三維芯片物理設(shè)計(jì)的后繼工作所引用。

獲第22屆ASP-DAC十年最具影響力論文獎(jiǎng)

與學(xué)生在一起

為計(jì)算加速

在羅國(guó)杰心中，除了科研工作，他還想將學(xué)到的知識(shí)不斷傳遞下去?！翱赡苁鞘艿綄?dǎo)師的影響，我覺(jué)得如果能重回學(xué)校，成為一名教師，維護(hù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的好奇心和熱情是很有意義的一件事?！?011年，博士畢業(yè)前夕，正值羅國(guó)杰的母校北京大學(xué)高能效計(jì)算與應(yīng)用中心成立不久，借此機(jī)會(huì)，羅國(guó)杰毅然決定回國(guó)，來(lái)到高能效計(jì)算與應(yīng)用中心任職。

回到熟悉的校園，羅國(guó)杰來(lái)不及懷念過(guò)去，就立即投入到了下一階段的研究中。定制化和專(zhuān)門(mén)化是后摩爾定律時(shí)代提高計(jì)算性能的另一手段，他面向FPGA可重構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)自動(dòng)化算法進(jìn)行了深入研究。FPGA，也就是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，作為一種可重構(gòu)電路，既能面向應(yīng)用或領(lǐng)域的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的定制化，又能克服專(zhuān)用集成電路靈活性不足的缺點(diǎn)。

如果想要定制化地完成計(jì)算任務(wù)，就需要使用可重構(gòu)邏輯，但長(zhǎng)期阻礙任務(wù)完成的關(guān)鍵就在于其開(kāi)發(fā)效率的低下，盡管高層次綜合在一定程度上緩解了此問(wèn)題，但漫長(zhǎng)的后端綜合時(shí)間所帶來(lái)的問(wèn)題仍然很?chē)?yán)重?！八砸欢ㄒ獮橛?jì)算加速！”羅國(guó)杰補(bǔ)充道。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)迎難而上，面向FPGA可重構(gòu)邏輯的后端綜合工具鏈，從并行化、參數(shù)調(diào)節(jié)等多個(gè)角度分別展開(kāi)了加速方法的相關(guān)研究，取得了后端工具計(jì)算速度上的全新突破。在當(dāng)時(shí)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，羅國(guó)杰在研究中獲得的后端算法計(jì)算速度都在國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域中保持著最快的紀(jì)錄。

一直以來(lái)，羅國(guó)杰都是真正踏下心來(lái)做科研的，同時(shí)也練就了他溫和沉穩(wěn)的性格，這點(diǎn)在他與學(xué)生交流與溝通中表現(xiàn)得淋漓盡致。在與學(xué)生交流中，羅國(guó)杰極其有耐心，也時(shí)常會(huì)就一些自己關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題與學(xué)生溝通，及時(shí)了解學(xué)生想法，以便更好地對(duì)學(xué)生的科學(xué)研究進(jìn)行指導(dǎo)。在他看來(lái)，學(xué)生的成功，就是自己的成功?！爸灰吹綄W(xué)生的成長(zhǎng)，我就已經(jīng)很滿足了?！绷_國(guó)杰笑談道。

此外，已經(jīng)指導(dǎo)學(xué)生參與6年的ACM競(jìng)賽，羅國(guó)杰有了自己的一些心得體會(huì)，對(duì)未來(lái)的參賽題目與比賽形式也有自己的看法。他認(rèn)為，ACM競(jìng)賽在北京大學(xué)的影響絕不會(huì)隨著比賽的結(jié)束而結(jié)束，目前，學(xué)校希望以比賽為契機(jī)，在學(xué)科的基礎(chǔ)教育上做出更多努力。羅國(guó)杰提到，可以通過(guò)改進(jìn)比賽題目或形式，將教育界、科研界、產(chǎn)業(yè)界聯(lián)系起來(lái)，在教育和科技之間架一座橋梁，將雙方在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)需要的新興基礎(chǔ)技能都集中體現(xiàn)在比賽過(guò)程中，這樣一來(lái)，能夠更好地培養(yǎng)和選拔出高層次的人才。

吾生也有涯，而知也無(wú)涯。在羅國(guó)杰看來(lái)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里的學(xué)問(wèn)是無(wú)窮無(wú)盡的，更是值得他用一生去探尋的。未來(lái)，無(wú)論是在科研還是教學(xué)上的工作，他都會(huì)始終如一，有條不紊地進(jìn)行，為自己交出一份滿意的答卷。