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新智元報(bào)道

編輯：英智定慧

【新智元導(dǎo)讀】2024年ACM計(jì)算突破獎(jiǎng)?lì)C給了UCLA華人教授叢京生，以表彰他在FPGA芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化和可定制計(jì)算領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)。他突破了FPGA編程的瓶頸，開發(fā)出讓普通工程師實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工具。

剛剛，叢京生（Jason Cong）院士榮獲2024年ACM Charles P.「Chuck」Thacker計(jì)算突破獎(jiǎng)！

旨在表彰其在現(xiàn)場可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與自動(dòng)化方面，以及可定制計(jì)算架構(gòu)領(lǐng)域，做出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。

ACM Charles P.「Chuck」Thacker計(jì)算突破獎(jiǎng)?lì)C給在計(jì)算理念或技術(shù)上，做出顛覆性或跨越式貢獻(xiàn)的個(gè)人或團(tuán)體。

該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)有10萬美元獎(jiǎng)金，由微軟提供資助。獲獎(jiǎng)?wù)邔⒃贏CM的一次重要會(huì)議上發(fā)表ACM突破演講。

勇克FPGA難題

在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的職業(yè)生涯中，叢教授開發(fā)出了一系列先進(jìn)的集成電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，主要圍繞現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 工具。

FPGA是一種特殊的集成電路，可在制造后進(jìn)行編程。憑借這一特性，F(xiàn)PGA成為數(shù)據(jù)中心、電信、航空航天、國防、汽車工程等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)硬件。

雖說FPGA可編程，為其創(chuàng)建配置文件卻是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，用戶很難完成。叢教授花了大量精力開發(fā)相關(guān)工具，來解決這個(gè)問題。

他的工作使得用C或C++等編程語言對FPGA編程成為現(xiàn)實(shí)，大大降低了FPGA的使用難度。

除了研究核心算法，叢教授還和學(xué)生一起，把這些算法融入商業(yè)工具中，為FPGA設(shè)計(jì)工具提供支持。

20世紀(jì)90年代末，他致力于研究如何把邏輯映射到FPGA的基本構(gòu)成單元——查找表上。

這在當(dāng)時(shí)是個(gè)難題，起初是采用啟發(fā)式方法解決。

叢教授和他的學(xué)生取得了重大理論突破，他們證明這個(gè)問題可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)精確求解。

這一成果促使Aplus設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司成立，將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，如今所有FPGA綜合工具都用到了這項(xiàng)技術(shù)。

叢教授早期的成果，讓設(shè)計(jì)師能用Verilog這類硬件描述語言設(shè)計(jì)FPGA，但對于軟件應(yīng)用工程師來說，給這些電路編程還是困難重重。

21世紀(jì)初，團(tuán)隊(duì)開始研究高級綜合技術(shù)，讓FPGA能直接依據(jù)C/C++語言進(jìn)行編程。

這項(xiàng)成果孵化出了AutoESL，該公司從加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立出來，并于2011年被賽靈思公司（現(xiàn)為AMD/Xilinx的一部分）收購。

基于AutoESL技術(shù)開發(fā)的商業(yè)產(chǎn)品AutoPilot，是現(xiàn)在AMD/Xilinx高級綜合工具的核心技術(shù)。

叢教授把這些工具應(yīng)用于可定制的特定領(lǐng)域計(jì)算。

他和團(tuán)隊(duì)用FPGA設(shè)計(jì)了一系列針對不同領(lǐng)域的硬件加速器，像深度學(xué)習(xí)、醫(yī)學(xué)圖像處理、基因組測序、數(shù)據(jù)壓縮、可滿足性求解等計(jì)算密集型任務(wù)。

這些定制計(jì)算解決方案的一個(gè)重要優(yōu)勢是，與傳統(tǒng)基于CPU的計(jì)算方式相比，能效顯著提升。

ACM計(jì)算突破獎(jiǎng)得主

ACM計(jì)算突破獎(jiǎng)是為了致敬Thacker在計(jì)算領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，以及他對一代又一代計(jì)算機(jī)科學(xué)家的啟迪。

這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)授予那些像Thacker一樣，擁有創(chuàng)新思維、勇于攻克難題的個(gè)人或團(tuán)體。

叢京生（Jason Cong）是加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Samueli工程學(xué)院Volgenau工程卓越講席教授。

他的研究方向主要有超大規(guī)模集成電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化、可定制計(jì)算、量子計(jì)算以及高度可擴(kuò)展算法。

他已發(fā)表500多篇研究論文，主持過100多個(gè)研究項(xiàng)目，并獲得了多項(xiàng)專利。

叢教授畢業(yè)于北京大學(xué)，并在伊利諾伊大學(xué)香檳分校（UIUC）獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士和博士學(xué)位。

他獲得的榮譽(yù)包括Phil Kaufman獎(jiǎng)、IEEE Robert N. Noyce獎(jiǎng)?wù)乱约癆CM/IEEE A. Richard Newton電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)影響力獎(jiǎng)。

他是ACM和IEEE Fellow，也是美國藝術(shù)與科學(xué)院、美國國家工程院院士，以及中國工程院外籍院士。

多次推動(dòng)芯片領(lǐng)域發(fā)展

1946年2月14日，世界上第一臺通用計(jì)算機(jī)ENIAC誕生了，這臺龐然大物占地170平方米。

當(dāng)時(shí)所有人都認(rèn)為：計(jì)算機(jī)不會(huì)走入我們的生活。但1956年的神奇預(yù)言「摩爾定律」改變了這一切。

在集成電路領(lǐng)域，通常把0.35-0.8μm及其以下稱為亞微米級，0.25μm及其以下稱為深亞微米，0.05μm及其以下稱為納米級。

1990年代，叢京生提出的「以互聯(lián)為中心的設(shè)計(jì)算法和方法學(xué)」在克服深亞微米時(shí)序閉合挑戰(zhàn)中起到了突出作用，使摩爾定律能夠繼續(xù)擴(kuò)展。

2009年，叢京生領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)（來自 UCLA、Rice、Ohio-State和UC Santa Barbara的十二位教員組成的團(tuán)隊(duì)），贏得了極具競爭力的NSF Expeditions in Computing Award（價(jià)值1000萬美元，為期五年）。

這項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)促成了Center for Domain-Specific Computing (CDSC)的成立，該中心超越了并行化，專注于特定領(lǐng)域定制，以實(shí)現(xiàn)巨大的功率性能效率提升。

2014年，叢京生領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)贏得了NSF Innovation Transition Program下的首個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由英特爾公司主導(dǎo)，提供額外300萬美元資金，并得到 NSF（美國科學(xué)基金會(huì)）的匹配支持。

叢京生的實(shí)驗(yàn)室針對高層綜合（HLS）的研究，催生了全球應(yīng)用最廣泛的FPGA高層綜合工具（由2006年成立的初創(chuàng)公司AutoESL研發(fā)，于2011年被全球最大的FPGA公司Xilinx收購），大大地提高了FPGA設(shè)計(jì)的效率，促進(jìn)了FPGA的廣泛應(yīng)用。

叢京生教授不僅是一位國際知名的學(xué)者，他還在國內(nèi)對計(jì)算機(jī)科研和教育做出長期和杰出的貢獻(xiàn)。

叢京生教授以自己的母校北京大學(xué)為基地，在學(xué)科建設(shè)、教師隊(duì)伍培養(yǎng)、學(xué)術(shù)影響力的提升等方面都做了大量和具體的，并卓有成效的工作。

院士生平和他認(rèn)為的半導(dǎo)體三次拐點(diǎn)

1963年2月，出生于北京市
1981年-1985年，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位
1985年-1987年，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位
1987年-1990年，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)博士學(xué)位
1990年-2009年，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校教授

在2023年9月的一次采訪中，IEEE集成電路與系統(tǒng)雜志的總編輯陳怡然教授和副主編陳凡教授采訪了叢京生院士。

其中叢院士對一個(gè)問題的回答提到半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的三次拐點(diǎn)，言簡意賅，總結(jié)深刻，有助于我們理解集成電路的發(fā)展。

以下內(nèi)容摘錄自：VAST LAB《IEEE Circuits and Systems Magazine 叢京生院士專訪》。

叢院士：自1990年我加入U(xiǎn)CLA以來至今，發(fā)現(xiàn)了IC領(lǐng)域以下三個(gè)值得注意的拐點(diǎn)：

互連瓶頸

隨著晶體管在20世紀(jì)90年代初微縮到亞微米尺寸，互連延遲開始蓋過邏輯延遲，成為決定時(shí)鐘頻率的主要因素。

在UCLA主持的第一個(gè)美國國家科學(xué)基金會(huì)項(xiàng)目就是「用于高性能 VLSI 電路和系統(tǒng)的互連問題」（1991-1993年），旨在解決當(dāng)時(shí)迫切的互連挑戰(zhàn)。

提出了許多新的研究方向例如互連拓?fù)鋬?yōu)化、最優(yōu)導(dǎo)線尺寸、同步布線和寄存器插入、使用物理層次結(jié)構(gòu)而非邏輯層次結(jié)構(gòu)、探索3D設(shè)計(jì)等等來解決這個(gè)問題。

片上系統(tǒng) (SoC) 機(jī)遇

21 世紀(jì)初，芯片上的晶體管數(shù)量突破億級大關(guān)，將整個(gè)電子系統(tǒng)集成到單個(gè)芯片 (SoC) 上成為可能。

一個(gè)典型的例子是Xilinx在 2002 年推出的 Virtex-II Pro FPGA 首次集成了一個(gè)IBM PowerPC內(nèi)核。

這也促使我們重新審視高層次綜合 (HLS) 技術(shù)。之后的研究取得了幾個(gè)重要成果。

這些技術(shù)最終促成創(chuàng)立了一家名為AutoESL的公司。AutoESL于2011年被Xlinix收購，其開發(fā)的HLS工具成為了后來 AMD/Xilinx的旗艦產(chǎn)品Vivado HLS和Vitis HLS的基礎(chǔ)，并廣泛應(yīng)用于FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域。