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編輯：英智 定慧

【新智元導讀】2024年ACM計算突破獎頒給了UCLA華人教授叢京生，以表彰他在FPGA芯片設計自動化和可定制計算領域的重大貢獻。他突破了FPGA編程的瓶頸，開發出讓普通工程師實現芯片設計的關鍵工具。

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

旨在表彰其在現場可編程系統設計與自動化方面，以及可定制計算架構領域，做出的基礎性貢獻。

ACM Charles P.「Chuck」Thacker計算突破獎頒給在計算理念或技術上，做出顛覆性或跨越式貢獻的個人或團體。

該獎項設有10萬美元獎金，由微軟提供資助。獲獎者將在ACM的一次重要會議上發表ACM突破演講。

勇克FPGA難題

在學術和工業領域的職業生涯中，叢教授開發出了一系列先進的集成電路設計自動化工具，主要圍繞現場可編程門陣列 (FPGA) 工具。

FPGA是一種特殊的集成電路，可在制造后進行編程。憑借這一特性，FPGA成為數據中心、電信、航空航天、國防、汽車工程等領域的標準硬件。

雖說FPGA可編程，為其創建配置文件卻是一項復雜的任務，用戶很難完成。叢教授花了大量精力開發相關工具，來解決這個問題。

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

除了研究核心算法，叢教授還和學生一起，把這些算法融入商業工具中，為FPGA設計工具提供支持。

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

這在當時是個難題，起初是采用啟發式方法解決。

叢教授和他的學生取得了重大理論突破，他們證明這個問題可以在多項式時間內精確求解。

這一成果促使Aplus設計自動化公司成立，將這項技術商業化，如今所有FPGA綜合工具都用到了這項技術。

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

21世紀初，團隊開始研究高級綜合技術，讓FPGA能直接依據C/C++語言進行編程。

這項成果孵化出了AutoESL，該公司從加州大學洛杉磯分校（UCLA）實驗室獨立出來，并于2011年被賽靈思公司（現為AMD/Xilinx的一部分）收購。

基于AutoESL技術開發的商業產品AutoPilot，是現在AMD/Xilinx高級綜合工具的核心技術。

叢教授把這些工具應用于可定制的特定領域計算。

他和團隊用FPGA設計了一系列針對不同領域的硬件加速器，像深度學習、醫學圖像處理、基因組測序、數據壓縮、可滿足性求解等計算密集型任務。

這些定制計算解決方案的一個重要優勢是，與傳統基于CPU的計算方式相比，能效顯著提升。

ACM計算突破獎得主

ACM計算突破獎是為了致敬Thacker在計算領域的開創性貢獻，以及他對一代又一代計算機科學家的啟迪。

這個獎項授予那些像Thacker一樣，擁有創新思維、勇于攻克難題的個人或團體。

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

他的研究方向主要有超大規模集成電路和系統的設計自動化、可定制計算、量子計算以及高度可擴展算法。

他已發表500多篇研究論文，主持過100多個研究項目，并獲得了多項專利。

叢教授畢業于北京大學，并在伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）獲得計算機科學碩士和博士學位。

他獲得的榮譽包括Phil Kaufman獎、IEEE Robert N. Noyce獎章以及ACM/IEEE A. Richard Newton電子設計自動化技術影響力獎。

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

多次推動芯片領域發展

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

當時所有人都認為：計算機不會走入我們的生活。但1956年的神奇預言「摩爾定律」改變了這一切。

在集成電路領域，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「以互聯為中心的設計算法和方法學」在克服深亞微米時序閉合挑戰中起到了突出作用，使摩爾定律能夠繼續擴展。

2009年，叢京生領導的團隊（來自 UCLA、Rice、Ohio-State和UC Santa Barbara的十二位教員組成的團隊），贏得了極具競爭力的NSF Expeditions in Computing Award（價值1000萬美元，為期五年）。

這項獎項促成了Center for Domain-Specific Computing (CDSC)的成立，該中心超越了并行化，專注于特定領域定制，以實現巨大的功率性能效率提升。

2014年，叢京生領導的團隊贏得了NSF Innovation Transition Program下的首個獎項，該獎項由英特爾公司主導，提供額外300萬美元資金，并得到 NSF（美國科學基金會）的匹配支持。

叢京生的實驗室針對高層綜合（HLS）的研究，催生了全球應用最廣泛的FPGA高層綜合工具（由2006年成立的初創公司AutoESL研發，于2011年被全球最大的FPGA公司Xilinx收購），大大地提高了FPGA設計的效率，促進了FPGA的廣泛應用。

叢京生教授不僅是一位國際知名的學者，他還在國內對計算機科研和教育做出長期和杰出的貢獻。

叢京生教授以自己的母校北京大學為基地，在學科建設、教師隊伍培養、學術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。

院士生平和他認為的半導體三次拐點

• 1963年2月，出生于北京市

• 1981年-1985年，北京大學計算機科學與技術專業學士學位

• 1985年-1987年，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校 計算機科學專業碩士學位

• 1987年-1990年，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校 計算機科學專業博士學位

• 1990年-2009年，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校教授

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。

其中叢院士對一個問題的回答提到半導體芯片領域的三次拐點，言簡意賅，總結深刻，有助于我們理解集成電路的發展。

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

叢院士：自1990年我加入UCLA以來至今，發現了IC領域以下三個值得注意的拐點：

互連瓶頸

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

在UCLA主持的第一個美國國家科學基金會項目就是「用于高性能 VLSI 電路和系統的互連問題」（1991-1993年），旨在解決當時迫切的互連挑戰。

提出了許多新的研究方向例如互連拓撲優化、最優導線尺寸、同步布線和寄存器插入、使用物理層次結構而非邏輯層次結構、探索3D設計等等來解決這個問題。

片上系統 (SoC) 機遇

21 世紀初，芯片上的晶體管數量突破億級大關，將整個電子系統集成到單個芯片 (SoC) 上成為可能。

一個典型的例子是Xilinx在 2002 年推出的 Virtex-II Pro FPGA 首次集成了一個IBM PowerPC內核。

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

這些技術最終促成創立了一家名為AutoESL的公司。AutoESL于2011年被Xlinix收購，其開發的HLS工具成為了后來 AMD/Xilinx的旗艦產品Vivado HLS和Vitis HLS的基礎，并廣泛應用于FPGA設計領域。

登納德縮放（Dennard scaling）的終結

20世紀末，半導體行業遇到了一個關鍵挑戰：傳統的提高時鐘頻率的方法已經無法滿足性能提升的需求，這種現象被稱為登納德縮放的終結。

當時的業界普遍認為多核并行化是解決問題的關鍵，但叢京生則另辟蹊徑提出了以定制化為主的集成電路的設計理念。

定制化集成電路指的是根據特定的工作負載調整架構，以獲得更好的性能/能效比。

2008年，叢京生帶領一支由12位教授組成的團隊，向美國國家科學基金會 (NSF) 提交了一份名為「可定制領域特定計算」。

過去的5-10年間，谷歌、微軟和亞馬遜等主要云計算提供商都開發了他們自己的定制化加速器。

參考資料：

https://awards.acm.org/about/2024-thacker

https://awards.acm.org/thacker

https://mp.weixin.qq.com/s/Yr-LhyqSFQ9vFnctFNfi5Q