干思思

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，處于軟硬這一“接口”位置，對計(jì)算機(jī)指令、硬件功能分配和對軟件、硬件界面確定等，承擔(dān)著基本的“規(guī)劃”功能。隨著摩爾定律放緩和新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，如何改進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來滿足應(yīng)用不斷增長的需求，成為一個重要課題。對此，圖靈獎得主約翰·軒尼詩（John Hennessy）和大衛(wèi)·帕特森（David Patterson）指出了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)未來發(fā)展趨勢——“領(lǐng)域定制的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”，并稱“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)⒂瓉硐乱粋€黃金時代”。這也是北京大學(xué)高能效計(jì)算與應(yīng)用中心副教授孫廣宇從研十余年以來一直在努力的方向。

尋尋覓覓：微光點(diǎn)亮的夢想

孫廣宇在清華電子系和原微電子所度過自己的本科和碩士階段，并在學(xué)校專項(xiàng)資金的支持下獲得了參與國際學(xué)術(shù)會議的機(jī)會。在一次學(xué)術(shù)會議中，孫廣宇遇到了同樣畢業(yè)于清華大學(xué)電子系、在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域赫赫有名的謝源教授?！昂椭x老師的交流讓我受益頗多?！睂O廣宇回憶道。在謝源教授的建議下，孫廣宇申請了美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的博士學(xué)位，并于2006年成為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方向的新晉博士生。

然而孫廣宇的博士研究并不是一帆風(fēng)順的?！芭c我所學(xué)的集成電路設(shè)計(jì)不同，我第一位導(dǎo)師是典型的計(jì)算機(jī)系背景出身的專家，在研究中他更偏向系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)節(jié)。盡管都在體系結(jié)構(gòu)的大領(lǐng)域，但這種學(xué)習(xí)背景帶來的差別仍是當(dāng)時的我難以在短時間內(nèi)逾越的。”更嚴(yán)重的是，孫廣宇初期欠佳的表現(xiàn)讓他的導(dǎo)師要放棄對其研究經(jīng)費(fèi)的資助。研究進(jìn)展緩慢、時刻面臨“斷費(fèi)”，這樣窘迫的境況幾乎澆滅了孫廣宇的斗志。

就在這個時候，謝源向他伸出了援手。經(jīng)過一番深入交談，謝源主動提出，讓孫廣宇轉(zhuǎn)投自己名下。謝源相信，只要讓孫廣宇回到“合適的軌道”上，他一定可以取得不錯的成績。時隔多年，回憶起當(dāng)時的經(jīng)歷，孫廣宇仍難掩感激之情：“謝老師對我的幫助，不是一個簡單的、慷慨的故事，他對我研究經(jīng)費(fèi)、學(xué)習(xí)方法、論文寫作乃至生活細(xì)節(jié)方方面面的幫助，是我得以繼續(xù)攻讀博士最主要的力量。如果當(dāng)時沒有謝老師的幫助和認(rèn)可，可能我走的路就和現(xiàn)在完全不同了?！?/p>

孫廣宇也沒有讓謝源失望?！稗D(zhuǎn)換賽道”之后，他終于打破了博士初期的“沉默”狀態(tài)，一系列論文相繼發(fā)表。在與包括杜克大學(xué)陳怡然教授在內(nèi)的業(yè)內(nèi)翹楚合作的過程中，孫廣宇得以觸摸計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的前沿理論和全新器件，他的畢業(yè)論文《基于新型非易失存儲的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)探索》，更是榮獲2012年歐洲設(shè)計(jì)自動化協(xié)會優(yōu)秀博士論文獎。

這段求學(xué)從研經(jīng)歷，開拓了孫廣宇的科研視野，也讓他篤定地走在自己所選的研究道路上。面對未來的選擇，他沒有猶豫：“我出國的時候就決定，我畢業(yè)之后一定要回國?！?011年，在導(dǎo)師謝源的推薦下，剛剛成立的北京大學(xué)高能效計(jì)算與應(yīng)用中心向?qū)O廣宇遞出了橄欖枝。感佩于恩師和北京大學(xué)的肯定，孫廣宇即刻打點(diǎn)行裝，回到了暌違5年的祖國。

兢兢業(yè)業(yè)：青春在科研中閃光

入職后，孫廣宇開始思考“新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”這一關(guān)鍵核心技術(shù)的破題思路，他決定在新型存儲架構(gòu)和定制計(jì)算架構(gòu)兩個方向開展跨層次的研究。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲引起的性能開銷和所消耗的能量逐漸增加，而各種新型的非易失存儲器件（NVM）具備大容量、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。就此，孫廣宇團(tuán)隊(duì)首先對新型NVM的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行量化抽象建模，根據(jù)模型實(shí)現(xiàn)性能、能耗等設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化的快速架構(gòu)探索，進(jìn)一步提出可擴(kuò)展、可重構(gòu)的宏單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定器件建模單元;并首次提出基于STT-RAM+SRAM的“混合緩存架構(gòu)”，根據(jù)數(shù)據(jù)請求的優(yōu)先級優(yōu)化“混合緩存架構(gòu)”中的數(shù)據(jù)管理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分配、替換以及遷移策略，有效地提升了新型NVM數(shù)據(jù)訪存性能，同時降低了訪存功耗;此外針對新型NVM獨(dú)有的錯誤機(jī)制，提出“定位糾錯編碼（p-ECC）”緩存等糾錯架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可靠性和能效之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

同時，孫廣宇構(gòu)建的高能效、高安全性存儲系統(tǒng)架構(gòu)對于數(shù)據(jù)中心帶來了提升。孫廣宇團(tuán)隊(duì)和百度合作提出將鍵值對存儲（KV存儲）和開放通道式固態(tài)硬盤（SSD）整合在一起，利用開放式通道SSD高并發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，對I/O調(diào)度和分發(fā)策略進(jìn)行優(yōu)化;同時提出了能夠?qū)⒍喾N應(yīng)用進(jìn)行混合部署的高效分布式存儲系統(tǒng)，有效提升存儲系統(tǒng)利用率并節(jié)省成本;在數(shù)據(jù)中心可信計(jì)算場景下，針對不經(jīng)意隨機(jī)存儲（ORAM）安全協(xié)議實(shí)際應(yīng)用中存在大量冗余訪存等問題，以路徑合并、緩存優(yōu)化與數(shù)據(jù)復(fù)本技術(shù)，將ORAM系統(tǒng)的訪存性能顯著提升;此外針對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的索引與跨步訪問等問題，利用新型NVM的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種同時支持行和列訪問的對稱內(nèi)存架構(gòu)，可以降低設(shè)計(jì)成本并提升能效。

隨著深度學(xué)習(xí)等新興應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，孫廣宇開始針對其應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)定制化的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。由“通用”轉(zhuǎn)向“專用”，是他在這一方向的主要研究形式。以深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域?yàn)槔?，孫廣宇與叢京生教授等合作，提出基于Roofline模型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器設(shè)計(jì)方法，對計(jì)算單元、片上存儲、帶寬等資源進(jìn)行抽象來構(gòu)造設(shè)計(jì)空間，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)自動探索空間尋找最優(yōu)方案;為提高基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器芯片設(shè)計(jì)效率，提出一系列自動化設(shè)計(jì)方法，將深度學(xué)習(xí)框架（如Caffe、TensorFlow）輸出的網(wǎng)絡(luò)模型自動化部署到FPGA上，達(dá)到同時期最好水平加速性能;同時結(jié)合新型NVM相關(guān)研究成果，提出針對深度學(xué)習(xí)存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)，可顯著提升深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)處理能效。

目前，孫廣宇累計(jì)發(fā)表論文百余篇，獲最佳論文獎3次、最佳論文提名獎3次，獲CCF-IEEE CS青年科學(xué)家獎和“CCF-Intel青年學(xué)者提升計(jì)劃”支持，并主持和參與多項(xiàng)科研項(xiàng)目。這個執(zhí)著于構(gòu)建新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的“設(shè)計(jì)師”，正以他自己的形式，推動這一領(lǐng)域的發(fā)展。

日日夜夜：照亮前行的方向

以10年為期，孫廣宇這樣概括自己在北京大學(xué)工作的時光：“5年的沉淀積累，5年的實(shí)踐摸索?！鼻?年時間，孫廣宇用來探索行業(yè)的前沿地帶，同時適應(yīng)高校教師的新身份。在他看來，這段時光“和創(chuàng)業(yè)很像”。與學(xué)生一道摸索前行，探秘科研的“無人區(qū)”。談及與學(xué)生的相處，孫廣宇笑稱：“他們是團(tuán)隊(duì)的成員，也是同行的戰(zhàn)友。我對他們的唯一要求，就是要明確自己未來的規(guī)劃是怎樣的。學(xué)研究是很苦的，尤其是博士階段的‘深研究。這不是一種技能的培訓(xùn)，我更希望培養(yǎng)他們解決問題的勇氣和魄力。在這個過程中，或許有彎路，但是我們一起走過，功不唐捐。在這個過程中，學(xué)生對我的信任也幫助我更好地理解了教師這個角色，不斷壯大的團(tuán)隊(duì)也讓我對于科研更有信心?！?/p>

此外，孫廣宇也深知“紙上得來終覺淺”的道理，在北京大學(xué)高能效計(jì)算與應(yīng)用中心工作的第二個5年，他積極推動技術(shù)轉(zhuǎn)化，領(lǐng)域定制的存儲與加速器系統(tǒng)等成果已在實(shí)際平臺和產(chǎn)品上進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，關(guān)于高能效計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究課題得到華為、百度、美國超微半導(dǎo)體公司（AMD）、微軟、字節(jié)跳動等公司項(xiàng)目的支持。

在孫廣宇看來，面向新興計(jì)算應(yīng)用，結(jié)合集成電路設(shè)計(jì)和新型器件等內(nèi)容的新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，能為我國解決“卡脖子”難題提供新思路?！熬拖裆w房子一樣，或許我們目前無法獲得頂尖的建筑材料，但可以通過更巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有條件下蓋出頂尖的房子。回到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，在我國芯片制造工藝與國際頂尖水平有一些差距的情況下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整體效果同樣達(dá)到國際領(lǐng)先水平，這就是我要做的事情?！笨?/p>

（責(zé)編：唐一白）