“核高基”引路者

北京，創(chuàng)新之城；人才，創(chuàng)新之源。70年來(lái)，首都科技事業(yè)取得驕人成就，離不開(kāi)一代又一代科技工作者的艱苦奮斗、不懈付出。 從今天起，本報(bào)與市科委共同推出“科技之星·初心”專欄，聚焦首都科研戰(zhàn)線上那些耀眼的科學(xué)大家、領(lǐng)軍人才、科技之星和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，尋訪他們攀登科學(xué)高峰路上的初心故事。

61歲的魏少軍更像是我國(guó)“核高基”引路者。“核高基”是核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的簡(jiǎn)稱。不論是學(xué)術(shù)會(huì)議、大型論壇，還是電視講壇，魏少軍總不忘介紹集成電路企業(yè)人才不足的現(xiàn)狀、剖析中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的痛點(diǎn)、闡釋未來(lái)的發(fā)展路徑。他念茲在茲的就是做強(qiáng)中國(guó)“芯”。

這是一位國(guó)產(chǎn)芯片“先行者”的初心。

從成為郵電部郵電科學(xué)研究院半導(dǎo)體所的學(xué)徒工開(kāi)始，魏少軍的“芯”路歷程，以每十年一個(gè)臺(tái)階，向前突破。

第一個(gè)十年，他跳過(guò)高考自學(xué)考上清華大學(xué)碩士研究生，出國(guó)參與芯片設(shè)計(jì)；

第二個(gè)十年，他在比利時(shí)讀博之后留校任教，鉆研芯片設(shè)計(jì)理論；

第三個(gè)十年，他回國(guó)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)IC電話卡芯片和SIM卡芯片國(guó)產(chǎn)化；  

第四個(gè)十年，他回到清華大學(xué)任教，并攻克高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)。

如今，他的團(tuán)隊(duì)還在AI芯片、CPU硬件安全行為監(jiān)控芯片和智能化芯片上發(fā)力，在強(qiáng)“芯”之路上不斷尋求新的突破。

1 國(guó)產(chǎn)IC電話卡芯片打破壟斷

坐在清華大學(xué)FIT樓三層的辦公室，魏少軍愉快地打開(kāi)話匣子。

早在中學(xué)時(shí)，他就是無(wú)線電“發(fā)燒友”。作為“50后”，他們這代人的中小學(xué)學(xué)業(yè)幾乎荒廢。為了拴住他的注意力，在中科院電子所工作的父親親自上陣，教授他無(wú)線電知識(shí)。魏少軍為此著了迷，經(jīng)常與幾個(gè)志同道合的小伙伴交流，課余時(shí)間就在設(shè)計(jì)電路圖、焊接電路板、調(diào)試設(shè)備中度過(guò)。

他還記得，那時(shí)候最開(kāi)心的是騎著自行車(chē)滿世界找元器件，“廊房二條、燈市口的八面槽、高碑店，這些地方我們都去過(guò)，餓了就花三毛錢(qián)買(mǎi)一碗面或者炒餅。”中學(xué)時(shí)期，他親手組裝過(guò)十幾臺(tái)收音機(jī)和電視機(jī)，超強(qiáng)的動(dòng)手能力為日后從事芯片研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

高中畢業(yè)，魏少軍來(lái)到郵電部郵電科學(xué)研究院半導(dǎo)體所當(dāng)學(xué)徒工。1977年，他首次參加高考，考取北方交通大學(xué)運(yùn)籌學(xué)專業(yè)，卻因擔(dān)心“從事火車(chē)調(diào)度出事故”，沒(méi)去報(bào)到。

第二年暑假，看到昔日小伙伴變身“天之驕子”，他深受刺激，做出一個(gè)更為大膽的決定：跳過(guò)高考，直接考研。三年時(shí)間，他自學(xué)了《高等數(shù)學(xué)》《普通物理》等幾乎所有大學(xué)課程，光是做習(xí)題的演算紙就攢了兩麻袋。

1984年，兩度考研之后的他終于成為清華大學(xué)無(wú)線電系信號(hào)與系統(tǒng)專業(yè)研究生。畢業(yè)之后，他通過(guò)中國(guó)與比利時(shí)的國(guó)際合作項(xiàng)目，在比利時(shí)讀博、留校任教。

上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)科技事業(yè)發(fā)展蒸蒸日上。一段小插曲，讓他內(nèi)心的天平向祖國(guó)傾斜。1994年，他到清華微電子所交流如何做芯片設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)常規(guī)操作是反向設(shè)計(jì)，而魏少軍講述的是正向設(shè)計(jì)，即先明晰原理，確定設(shè)計(jì)思路，再按照構(gòu)想一步步實(shí)現(xiàn)。臺(tái)下的聽(tīng)眾對(duì)此感到很神奇。這種巨大的差異讓魏少軍很受觸動(dòng)，“我感到，自己有責(zé)任為祖國(guó)芯片研發(fā)貢獻(xiàn)力量。”

1995年，魏少軍回到清華任教，同時(shí)在郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院兼職（實(shí)際是全職工作，人事關(guān)系在清華），擔(dān)任新成立的集成電路設(shè)計(jì)中心（大唐微電子技術(shù)有限公司前身）主任，開(kāi)啟芯片國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)之路。

20多年前，中國(guó)盛行排隊(duì)打IC卡電話。小小一張電話卡，可儲(chǔ)值、可反復(fù)使用，其中的奧秘在于內(nèi)部鑲嵌的集成電路芯片。這種芯片起初被國(guó)外壟斷，每張卡的價(jià)格高達(dá)一美元。

魏少軍的第一個(gè)項(xiàng)目就瞄準(zhǔn)了IC電話卡芯片，他爭(zhēng)取到郵電部重點(diǎn)科技發(fā)展項(xiàng)目，帶著團(tuán)隊(duì)沒(méi)日沒(méi)夜地奮戰(zhàn)。“當(dāng)時(shí)不知道怎么做設(shè)計(jì)，也不知道到哪里生產(chǎn)，幾乎是從零起步。”他說(shuō)，電話卡芯片是特殊工藝，當(dāng)時(shí)國(guó)際上流行的是NMOS工藝，但國(guó)內(nèi)只能生產(chǎn)CMOS，后者多了一支管子，意味著成本上升一倍。為了降低成本，他們只好從精細(xì)設(shè)計(jì)上下功夫。

兩年后，米粒大小的芯片誕生了！這是我國(guó)第一枚完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、完全國(guó)產(chǎn)化的IC電話卡芯片，打破了當(dāng)時(shí)完全依靠進(jìn)口的局面。“1999年，大唐微電子的IC電話卡銷(xiāo)售額達(dá)到兩千萬(wàn)元，第二年增至上億元，這也是我國(guó)第一枚銷(xiāo)售額上億元的國(guó)產(chǎn)化芯片。”魏少軍自豪地說(shuō)。

2 開(kāi)放專利使更多人受益

初戰(zhàn)告捷，魏少軍團(tuán)隊(duì)又有了新的目標(biāo)——SIM卡芯片。本世紀(jì)初，移動(dòng)通信開(kāi)始流行，進(jìn)口的SIM卡賣(mài)到10美元一張。研制SIM卡芯片，意味著要打破國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壟斷，另辟蹊徑。

當(dāng)時(shí)，SIM卡芯片采用的是可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（英文簡(jiǎn)稱E2PROM），但國(guó)際上普遍采用的E2PROM，國(guó)內(nèi)沒(méi)有。上海一家廠商有Flash技術(shù)，但之前主要用于生產(chǎn)存儲(chǔ)器。

用Flash技術(shù)做SIM卡芯片，魏少軍又成了“第一個(gè)吃螃蟹的人”。這一技術(shù)的特點(diǎn)在于，F(xiàn)lash密度較高、容量大，但靈活性差、可靠性差。要保證可靠性，魏少軍想到的對(duì)策是，“把芯片做大一點(diǎn)，今天用這塊，明天用那塊，只要知道哪塊壞了，盡量避開(kāi)就行。”他們又研發(fā)出壞塊自我檢測(cè)技術(shù)，使用過(guò)程中，一旦知道壞塊，就把數(shù)據(jù)搬移到好塊上去。除此之外，他們還在SIM卡上首創(chuàng)軟件后期寫(xiě)入模式，也就是說(shuō)，只需要準(zhǔn)備一種芯片，相應(yīng)的軟件、程序后期加載即可。

基于SIM卡技術(shù)，他們申請(qǐng)了好幾十件專利。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)某移動(dòng)通信公司提出建議，放棄專利的利益索取權(quán)利，也就是說(shuō)開(kāi)放專利，以便更多人使用。利益誘惑，不是沒(méi)有，但魏少軍大度允諾，“只要能進(jìn)入市場(chǎng)，無(wú)所謂，那放棄吧。”

時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)老百姓使用的SIM卡芯片仍受益于魏少軍團(tuán)隊(duì)當(dāng)年的技術(shù)。如果收取專利費(fèi)用，那收入不可估量。對(duì)此，魏少軍淡然一笑，“一個(gè)技術(shù)，如果開(kāi)始就管人家收費(fèi)，別人都不用，那你什么都不是。開(kāi)放專利，讓產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)起來(lái)，這是最好的。”

當(dāng)年，他們將一張SIM卡定價(jià)在27元人民幣，只有進(jìn)口SIM卡的三分之一。大唐微電子2004年、2005年連續(xù)兩年銷(xiāo)售量都在十幾億元，位居國(guó)內(nèi)第一，由此也帶來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的繁榮，并促使國(guó)產(chǎn)SIM卡芯片全球市場(chǎng)占有率超三分之一。

此后，魏少軍成為大唐電信科技股份有限公司總裁，干了三四年之后，他突然感覺(jué)“真的干不動(dòng)了”。

“自己的能力受到很大挑戰(zhàn)。”他后來(lái)自我剖析：自己是干技術(shù)出身，技術(shù)情結(jié)較重；管理企業(yè)，經(jīng)營(yíng)上市公司則不一樣，除了技術(shù)，還要兼顧經(jīng)營(yíng)等更多因素；另外，作為管理者需要一股狠勁兒，而自己內(nèi)心柔軟。

他想回歸技術(shù)。2005年，就在國(guó)資委計(jì)劃把他調(diào)離清華大學(xué)，全職到大唐當(dāng)總工程師時(shí)，清華大學(xué)挽留了他，“你不能走，這對(duì)清華損失太大了。你回來(lái)吧！”

就這樣，魏少軍留在了清華大學(xué)，從企業(yè)高管變回大學(xué)教授。

3 領(lǐng)先打造芯片界“變形金剛”

2006年回歸清華大學(xué)后，魏少軍幾乎一切歸零，團(tuán)隊(duì)要從頭組建，研究方向也要重新考量。起初，團(tuán)隊(duì)里只有年輕教師劉雷波、尹首一和幾名研究生。

四處奔波成為家常便飯。為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，大家出差就坐硬座，甚至站票。團(tuán)隊(duì)沒(méi)有多余的資金去聘請(qǐng)專業(yè)工程師，只能在研發(fā)之余，自己動(dòng)手。

即便困難重重，魏少軍心里也思忖著，未來(lái)十年，到底什么會(huì)成為熱點(diǎn)？根據(jù)摩爾定律，芯片行業(yè)每18個(gè)月進(jìn)步一代，如此推進(jìn)，到2016年集成電路工藝可能會(huì)達(dá)到20納米以下。他們據(jù)此計(jì)算，如果芯片水平達(dá)到14納米，那開(kāi)發(fā)一枚芯片的成本需要幾千萬(wàn)美元，甚至上億美元，一定要批量生產(chǎn)才能蓋住研發(fā)費(fèi)用。不過(guò)，現(xiàn)實(shí)中的情況是，市場(chǎng)上大概有六七成產(chǎn)品為專用集成電路芯片，它們根據(jù)特定應(yīng)用來(lái)定制電路結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度快、功耗小、成本低，卻有一個(gè)致命缺陷——靈活性和拓展性差。另外，針對(duì)不同應(yīng)用需要設(shè)計(jì)不同的芯片，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，投入研發(fā)成本也高。

魏少軍設(shè)想，“有沒(méi)有一種辦法，通過(guò)軟件改變芯片的功能，讓一種芯片適應(yīng)各種不同的應(yīng)用？”

這個(gè)概念，即所謂可重構(gòu)芯片，早在上世紀(jì)60年代就有國(guó)外學(xué)者提出，但直到2000年之后才引起重視，也成為集成電路領(lǐng)域炙手可熱的焦點(diǎn)。

花了三年時(shí)間，魏少軍團(tuán)隊(duì)才明晰思路。通過(guò)構(gòu)建特別的計(jì)算單元，把計(jì)算單元變成陣列，陣列當(dāng)中每一個(gè)計(jì)算單元的功能都可以定義，而且這些計(jì)算單元之間相互連線，也可隨時(shí)定義或者編程。由此，軟件怎么寫(xiě)，就把它直接映射到計(jì)算單元中去，讓芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

他打了一個(gè)巧妙的比喻，可重構(gòu)計(jì)算芯片讓芯片成了“變形金剛”，硬件跟著軟件變，軟硬件雙編程，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)“兵來(lái)將擋，水來(lái)土掩”。

憑借“高能效動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算及其系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)”，魏少軍團(tuán)隊(duì)獲得2015年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)及2015年中國(guó)專利金獎(jiǎng)。

更令人矚目的是，該項(xiàng)目比美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）2017年提出的電子振興計(jì)劃（ERI）所規(guī)劃的軟件定義硬件技術(shù)早提出10年，且重構(gòu)速度比ERI規(guī)劃的2022年指標(biāo)快5倍以上。

基于可重構(gòu)芯片技術(shù)，魏少軍和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“思考者”（Thinker）多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算芯片，這是世界上首枚利用可重構(gòu)計(jì)算芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的芯片。從他們團(tuán)隊(duì)孵化的創(chuàng)業(yè)公司清微智能已開(kāi)啟“思考者”的量產(chǎn)。

當(dāng)前，在信息安全領(lǐng)域，CPU安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)思路是，從數(shù)以億萬(wàn)計(jì)的晶體管中找出只有幾十顆晶體管的木馬。顯然，這無(wú)異于大海撈針。這個(gè)難題困擾了團(tuán)隊(duì)很長(zhǎng)時(shí)間，“想破頭還是束手無(wú)策。”有一天，坐在辦公室的魏少軍突然“腦洞大開(kāi)”，“既然找不出來(lái)壞的，那我看著好的就行，物極必反！”基于此，魏少軍提出CPU異常行為監(jiān)測(cè)管控技術(shù)，并研制出全球唯一報(bào)道的可被全程監(jiān)管的CPU。目前，上海的瀾起科技基于此研發(fā)出了“津逮”CPU。

當(dāng)下，深度學(xué)習(xí)大行其道，能否讓芯片也不斷學(xué)習(xí)，變得越來(lái)越聰明？魏少軍團(tuán)隊(duì)又瞄準(zhǔn)新的目標(biāo)，“我們把機(jī)器學(xué)習(xí)和訓(xùn)練也放在芯片上，讓芯片運(yùn)算功能最后能夠反饋回來(lái)，自己教自己，不斷訓(xùn)練讓自己變好。這就是一個(gè)智能化的芯片，是我們下一步的目標(biāo)。”

4 推進(jìn)“核高基”產(chǎn)業(yè)發(fā)展

基于之前在集成電路等相關(guān)領(lǐng)域的成就，八年前，魏少軍成為我國(guó)“核高基”國(guó)家科技重大專項(xiàng)的技術(shù)總師。

“核高基”是對(duì)核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的簡(jiǎn)稱，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中名列第一。過(guò)去，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)“核高基”領(lǐng)域“缺芯少魂”，產(chǎn)品依賴進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人。從2011年開(kāi)始，魏少軍成為這一重大專項(xiàng)的技術(shù)總師。他透露，截至2017年我國(guó)核心電子器件關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，總體技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，核心電子器件與國(guó)外差距由15年以上縮短到5年。核心電子器件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的“卡脖子”問(wèn)題得到緩解，支撐裝備核心電子器件自主保障率從不足30%提升到85%以上。

作為技術(shù)總師，魏少軍要負(fù)責(zé)規(guī)劃國(guó)家“核高基”發(fā)展計(jì)劃、實(shí)施內(nèi)容并選擇合適的路徑，通過(guò)項(xiàng)目帶動(dòng)企業(yè)、高校、科研院所共同進(jìn)步，從而提升產(chǎn)業(yè)整體水平。

這樣的角色，促使他既要不斷學(xué)習(xí)，又要巧妙借助專家組的智慧把握方向，還要不斷說(shuō)服業(yè)內(nèi)同行共同參與。同行們時(shí)常看到，魏少軍走上學(xué)術(shù)會(huì)議、大型論壇、電視講壇，成為“核高基”的引路者。在魏少軍看來(lái)，無(wú)論作為技術(shù)總師，還是作為集成電路行業(yè)資深設(shè)計(jì)者，“我有責(zé)任向更多人宣傳‘核高基’的技術(shù)理念，帶領(lǐng)大家把產(chǎn)業(yè)向前推進(jìn)。”

魏少軍

清華大學(xué)和北京大學(xué)雙聘教授，清華大學(xué)微納電子學(xué)系主任、微電子所所長(zhǎng)，“核高基”國(guó)家科技重大專項(xiàng)技術(shù)總師，中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士，國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士。

他致力于超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)研究、高層次綜合技術(shù)研究、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究、可重構(gòu)芯片技術(shù)研究，在上述領(lǐng)域發(fā)表論文200余篇，出版專著5部，擁有數(shù)十項(xiàng)中國(guó)和美國(guó)發(fā)明專利。他曾先后獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)6項(xiàng)，以及中國(guó)科協(xié)“求是”杰出青年獎(jiǎng)、國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等。