深度學(xué)習(xí)勇攻堅 云霽初開創(chuàng)新篇

蔡巧玉

原始性創(chuàng)新，是攀登科學(xué)高峰的必由之路，更是一個艱難的突破過程。在中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員陳云霽看來，原始性創(chuàng)新就是在科研中充分發(fā)揮研究人員的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)造能力，去解決未知的科學(xué)問題。他從2008年決定開展人工智能和芯片設(shè)計的交叉研究。最初不管是在國際還是國內(nèi)的科研領(lǐng)域，都不太看好這一方向的前景。而正是在這一背景下，陳云霽決心帶領(lǐng)團隊，探索這一少有人問津的領(lǐng)域。

功夫不負(fù)有心人。在十幾年的科研探索征途中，陳云霽帶領(lǐng)團隊成功研制了國際上首個深度學(xué)習(xí)專用處理器芯片。2021年11月3日，其主持的“深度學(xué)習(xí)處理器體系結(jié)構(gòu)新范式”項目，獲得了2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。在他和團隊的努力下，現(xiàn)如今，深度學(xué)習(xí)處理器研究方向已成為當(dāng)前國際計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最重要的研究熱點之一。

“天才”是怎樣煉成的

9歲上中學(xué)，14歲就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，24歲博士畢業(yè)于中國科學(xué)院計算所，29歲起任中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員（正教授）、博士生導(dǎo)師。陳云霽的履歷與成長，都與他的家庭教育背景息息相關(guān)。陳云霽的父親是電力工程師，母親是歷史老師。從四五歲開始，陳云霽就接觸到了詩文知識，對語文、數(shù)學(xué)等科目的學(xué)習(xí)也有涉及。這些因素給他此后的學(xué)習(xí)、工作奠定了基礎(chǔ)。

然而，在成長過程中，陳云霽也曾迷失過方向。他直言，自己剛上大學(xué)的時候，因為年紀(jì)很小，所以自制力不是很好，也沒有完全適應(yīng)大學(xué)的環(huán)境。這一階段，陳云霽癡迷上了打游戲，是因為有陳國良院士等恩師的指引，他才慢慢從迷途中知返，并從興趣中找到了自己未來的方向。

1931年，愛因斯坦曾在美國紐約州立大學(xué)的演講《論教育》中說“教育是如果學(xué)校的知識都忘光之后剩下的東西”。陳云霽十分同意這一觀點，在他看來學(xué)校教育的重點，是為了培養(yǎng)一個和諧的人格，一個有激情、有創(chuàng)意、能獨立思考和判斷的人格。而一個人價值觀的形成，越小的時候影響便是越大的。在陳云霽看來，能夠早一點去上大學(xué)，更早地接受科學(xué)精神和人文精神的洗禮，是十分寶貴的體驗。“導(dǎo)師們對于科學(xué)的態(tài)度和精神對我的影響是非常大的，從某種程度上來說，已經(jīng)深深刻在了我的靈魂里面。”他說。

本科畢業(yè)后，陳云霽聽在中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所實習(xí)的同學(xué)說那里正在研制中國第一塊通用CPU芯片龍芯1號，聽聞這一消息，他激動萬分。陳云霽深知，在當(dāng)時中國計算機領(lǐng)域的發(fā)展背景下，開展這項工作需要決心，更需要勇氣，而他十分愿意投身到這一研究中。在心愿的驅(qū)使下，2002年，他通過不懈努力如愿以償來到了中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，跟隨胡偉武研究員碩博連讀，成為當(dāng)時龍芯研發(fā)團隊中最年輕的成員。博士畢業(yè)后，他留在了計算所。25歲時，陳云霽就已經(jīng)成為8核龍芯3號的主要架構(gòu)師。在“龍芯”系列的研發(fā)工作中，陳云霽不但提升了個人能力，還磨礪了意志品質(zhì)，這一切都為他今后科研工作的開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

深度學(xué)習(xí)處理器的“開拓者”

科研之路無疑是孤獨的。最開始從事人工智能和芯片設(shè)計交叉研究的時候，陳云霽也不止一次地問自己，為什么要做這樣的研究。面對前路的未知，他最終還是選擇堅定自己的內(nèi)心。在他看來，很多原始創(chuàng)新做出來之前，相關(guān)方向一定是不被大家認(rèn)可的。“那時候我們還是憑著一個學(xué)術(shù)的信念，相信這樣的交叉研究是一個有意義的方向，即便其沒有什么功利意義上的價值，我們還是希望能把這項研究給堅持下來。”陳云霽說。

起初，陳云霽主要憑借著自己對這一課題的理解孤軍奮戰(zhàn)，直到2008年，弟弟陳天石來到了北京實習(xí)。就這樣陳云霽開始與在人工智能算法方面有著豐富經(jīng)驗的陳天石開展合作，兄弟兩個一個人推算法，一個人推結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾年的潛心研究，最終在相關(guān)領(lǐng)域取得了一系列進展。

2014年，在美國鹽湖城召開的“計算機國際體系結(jié)構(gòu)支持、編程語言和操作系統(tǒng)”（ASPLOS）國際會議上，陳云霽團隊與法國國家信息與自動化研究所（INRIA）的奧利維爾·特姆（Olivier?Temam）合作發(fā)表了一篇題為“DianNao：一種小尺度的高吞吐率機器學(xué)習(xí)加速器”的論文受到了全世界的關(guān)注，這篇論文最終獲得了會議的最佳論文獎。這次會議之后，深度學(xué)習(xí)處理器開始被全世界所關(guān)注。

此后，陳氏兄弟帶領(lǐng)的團隊再獲新進展，他們成功研發(fā)出世界首款深度學(xué)習(xí)處理器原型芯片。

2018年，陳云霽團隊的研究成果被《科學(xué)》（Science）雜志刊文評價為深度學(xué)習(xí)處理器基礎(chǔ)研究的“開創(chuàng)性進展”、“先驅(qū)”和“引領(lǐng)者”，被圖靈獎得主、深度學(xué)習(xí)開創(chuàng)者之一——尤舒·本吉奧（Y.?Bengio）編著的教科書引用。成果推動深度學(xué)習(xí)處理器體系結(jié)構(gòu)方向從無到有，成為當(dāng)前國際計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最重要的基礎(chǔ)研究熱點之一。

值得一提的是，成果發(fā)布后，全球五大洲、30個國家/地區(qū)的200余家高校、企業(yè)及研究機構(gòu)（哈佛、斯坦福、麻省理工、谷歌、英偉達等），以及2位圖靈獎得主、10位中國和美國的院士、120余位ACM/IEEE會士先后跟蹤引用了項目成果。包括華為、三星、臺積電等企業(yè)，也在廣泛引用陳云霽團隊的論文，參考他們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)去研究怎樣為深度學(xué)習(xí)設(shè)計芯片。

在研究成果的支撐下，陳云霽與陳天石、杜子?xùn)|、孫凝暉、郭崎合作研究的科研項目“深度學(xué)習(xí)處理器體系結(jié)構(gòu)新范式”成功榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎，這也是我國歷史上處理器芯片領(lǐng)域獲得的唯一的國家自然科學(xué)獎。

教研有道勤探索

以興趣為馬，以心為驅(qū)使。在陳云霽的心中，科學(xué)研究從不是自己養(yǎng)家糊口的工具，而是興趣，是理想，是驅(qū)使自己向前的動力。從5歲開始讀書，如今三十載有余，陳云霽對學(xué)習(xí)、對科學(xué)也有著屬于自己的感悟。教師家庭出身，他從小耳濡目染，雖然現(xiàn)如今并沒有繁重的教學(xué)任務(wù)，但是陳云霽希望以自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷為鑒，為國家培養(yǎng)更多的掌握系統(tǒng)性思維的科研、工程人才。在這一目標(biāo)的驅(qū)使下，他帶領(lǐng)團隊一起開發(fā)了“智能計算系統(tǒng)”課程，這是國際上首門系統(tǒng)講授當(dāng)前機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)完整軟硬件技術(shù)棧的課程。

在陳云霽看來，傳統(tǒng)的教學(xué)機制是一個缺乏獎勵、缺乏反饋的過程，以至于很多人明明知道學(xué)習(xí)的重要性，但仍提不起精神來投身其中。作為曾經(jīng)的游戲熱衷者，陳云霽深知：很多學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)游戲的原因，與其及時的獎勵機制有著莫大的聯(lián)系。而如果學(xué)習(xí)也能夠效仿相關(guān)的獎勵機制，給予學(xué)生及時的反饋，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，可能就會無形中提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

在這一理念的影響下，陳云霽一直嘗試在自己上課的過程中變革舊有的教學(xué)模式，在實驗教學(xué)過程中，把課程實驗設(shè)計成了一個提供稠密、即時、體系化獎勵的小程序游戲“太空開發(fā)者”。在這門實驗課中，學(xué)生可以邊做實驗邊玩游戲，自主完成智能計算系統(tǒng)全棧工程師的學(xué)習(xí)之旅。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生的實驗結(jié)果需要助教來評估，要在數(shù)天后才能得到反饋，此時學(xué)生已經(jīng)脫離了實驗完成的興奮狀態(tài)。與之不同的是，陳云霽在課程中采用了一套自動智能評測系統(tǒng)，學(xué)生在提交實驗時可以即時獲得實驗分?jǐn)?shù)，并在截止日期前可以多次提交成績實現(xiàn)突破，游戲系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的實驗分?jǐn)?shù)實時刷新“科技點”。如果實驗做得好，學(xué)生可以即時獲得正向獎勵。現(xiàn)如今，這門智能計算系統(tǒng)課程已經(jīng)在中國科學(xué)院大學(xué)、北京大學(xué)等全國80多所高校進行了推廣，通過實行，陳云霽發(fā)現(xiàn)：學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有了明顯提高。

師者，傳道受業(yè)解惑者也。“每個人的生活都需要有一定的價值，尤其是對科學(xué)院的青年工作者來說，如果能找到自己的使命，是一件非常幸運的事情。”陳云霽這樣勉勵后輩。一直以來，陳云霽從不缺乏勇氣及冒險精神。他直言，現(xiàn)如今科研探索最艱難的那段時間已經(jīng)過去了，未來的方向也愈加明朗了起來。展望未來，陳云霽深知：現(xiàn)在遠(yuǎn)不是能停下來的時候。

（責(zé)編：張聞）5499664C-3DE6-450E-8F54-490A661C5D3C