呂志鵬教授（中）及其團(tuán)隊成員。資料圖片
不久前，在計算機(jī)輔助設(shè)計國際會議上，華中科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院呂志鵬教授團(tuán)隊摘得電子設(shè)計自動化布局布線算法競賽全球冠軍。這支年輕的團(tuán)隊專注于應(yīng)用型研究，希望打通算法研究從實驗室到企業(yè)的“最后一公里”，把科研成果寫在祖國的大地上。
華中科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院人工智能與優(yōu)化研究所里，研一學(xué)生羅燦輝緊張地坐在電腦前，每隔一會兒就點(diǎn)擊鼠標(biāo)、刷新網(wǎng)頁。突然，網(wǎng)頁更新了，計算機(jī)輔助設(shè)計國際會議（ICCAD）電子設(shè)計自動化（EDA）布局布線算法競賽第一名的名單里，赫然出現(xiàn)了他們團(tuán)隊的名字：羅燦輝、梁鏡湖、謝振軒、蘇宙行、呂志鵬。“我太激動了，第一時間和團(tuán)隊分享了這個好消息。”羅燦輝說。
羅燦輝所在團(tuán)隊成員的平均年齡才24歲，除了指導(dǎo)老師呂志鵬教授外，全都是90后。今年是他們首次參加ICCAD競賽，如此年輕的團(tuán)隊，能從12個國家和地區(qū)的137支隊伍中脫穎而出，呂志鵬卻很平靜：“我們的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此。從事EDA研究，不是為了發(fā)論文或得大獎，而是要為具體的工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，要把科研成果寫在祖國的大地上。”
奪冠離不開深厚積淀
EDA就是利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，來完成芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證等流程的設(shè)計方式。EDA布局布線設(shè)計是其中重要一環(huán)。就像裝修房子，要讓各種家具家電、電線網(wǎng)絡(luò)布局在最合適的地方，做到既美觀又節(jié)省空間，還能完美互聯(lián)互通，需要一個最優(yōu)的“施工圖”。芯片等精密器件只有指甲蓋大小，卻要加載百億個單元，相互聯(lián)結(jié)的線路更復(fù)雜，只能通過算法去設(shè)計最優(yōu)“施工圖”。
EDA是電子設(shè)計的基石產(chǎn)業(yè)，在精密制造領(lǐng)域，更是精密器件生產(chǎn)、加工和測試的基礎(chǔ)。“可以說，掌握了最優(yōu)的EDA，就有了高端工業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。”呂志鵬說。
EDA的基礎(chǔ)就是算法。這個年輕團(tuán)隊的奪冠，離不開研究所在算法領(lǐng)域40余年的積淀。上世紀(jì)80年代，華中科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院成立人工智能與優(yōu)化研究所，第一任所長黃文奇成為國內(nèi)最早關(guān)注算法研究的專家之一。“早期階段研究所更側(cè)重于純理論研究，而且專注于解決NP難問題。”呂志鵬介紹。NP難問題，是世界七大數(shù)學(xué)難題之一。在算法領(lǐng)域，通俗地說，NP難問題是指那些具有極高計算復(fù)雜度、沒有“標(biāo)準(zhǔn)答案”的非確定性問題。
沒有標(biāo)準(zhǔn)答案、標(biāo)準(zhǔn)路徑，如何解題？黃文奇提出了擬人擬物的算法思路，并被傳承至今。“擬人擬物就是用自然界和人類社會的一些設(shè)計和布局智慧來解決數(shù)學(xué)算法問題。”呂志鵬說。這種算法的靈感來自一次擠公交車的經(jīng)歷。當(dāng)時，黃文奇接到一個研究課題，需要將一個大圓進(jìn)行機(jī)械加工，在其中打一些大小不等的圓形孔，打完孔之后的大圓重心要和原來的大圓接近。如何實現(xiàn)？黃文奇苦思冥想，而看似滿員的公交車卻一次又一次擠進(jìn)新乘客的場景，讓他靈光一閃。他把擠公交的場景等價為一個物理演化模型，經(jīng)過多次算法演練，最終找到了大圓打孔問題的最優(yōu)解決辦法。
解決企業(yè)實際應(yīng)用難題
每家醫(yī)院都有很多護(hù)士，但護(hù)士的層級、專業(yè)各不相同，醫(yī)院護(hù)士不能斷檔，還要保障護(hù)士應(yīng)有的休息時間……如何通過算法，讓每家醫(yī)院都能迅速找到最優(yōu)的排班方案？留學(xué)期間，呂志鵬就參加了一次這樣的算法競賽并獲得第三名的好成績。讓他驚奇的是，競賽成果立刻被運(yùn)用到了各大醫(yī)院中。
“在國外，從護(hù)士排班到快遞物流、城市規(guī)劃設(shè)計等都有算法的應(yīng)用，很多企業(yè)會把算法跟工業(yè)緊密結(jié)合。我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型深入推進(jìn)，我們更應(yīng)該將科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合起來。”呂志鵬說。2011年擔(dān)任研究所所長后，他便致力于科研的應(yīng)用化轉(zhuǎn)型。
機(jī)會不期而至。2011年畢業(yè)季，一家企業(yè)到華科招聘，面試官與一名求職的研究生交談時，聊起研究生正在參與的一個課題，恰好是企業(yè)亟待破解的難題。面試一結(jié)束，面試官立即請研究生帶他去見課題負(fù)責(zé)人呂志鵬，代表企業(yè)提出了合作科研攻關(guān)的意向。
“這是我們團(tuán)隊做的第一個應(yīng)用型項目，雖然并沒有太多經(jīng)濟(jì)收益，但是我們覺得很值，這標(biāo)志著我們團(tuán)隊正式將算法研究應(yīng)用于實業(yè)。”呂志鵬說。一年半后，他們拿出了一個優(yōu)化方案，大幅降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。邁出第一步后，研究所的應(yīng)用型研究越來越順暢。從實驗室到企業(yè)，他們設(shè)計的算法被應(yīng)用于快遞物流、電子器件、智慧城市建設(shè)等諸多領(lǐng)域。
堅持“從0到1的突破”
算法領(lǐng)域的很多國際大賽，“出題人”都是業(yè)界的重要企業(yè)，所出的題目正是企業(yè)本身難以破解的技術(shù)難題。因此，以賽促練是人工智能與優(yōu)化研究所的傳統(tǒng)。呂志鵬團(tuán)隊此次參加的ICCAD是EDA領(lǐng)域歷史最悠久的頂級學(xué)術(shù)會議之一。本屆比賽的題目，正是當(dāng)下最前沿的芯片設(shè)計中的難題，光題目打印出來就有厚厚一本，數(shù)據(jù)量極大、約束性條件極多。
第一次接觸這么難的題目，幾名90后起初有點(diǎn)發(fā)怵。蘇宙行博士根據(jù)每個人的特長優(yōu)點(diǎn)分解任務(wù)，大家很快埋首于自己的具體問題，探索不同的解決路徑。“NP難問題就是這樣，沒有確定答案，只能不斷探索、不斷失敗，再不斷去想新路。”研究生梁鏡湖說。“鍥而不舍、永不言棄”是蘇宙行對隊員們最深的印象。而實現(xiàn)“從0到1的突破”，是隊員們最興奮的時刻。經(jīng)過4個月的不懈努力，在無數(shù)次試錯之后，他們終于找到了一條正確的解題路線。
盡管算法運(yùn)用領(lǐng)域十分廣泛，這次大賽卻讓羅燦輝等團(tuán)隊成員堅定了將來從事EDA研究的決心。他們深知，在許多關(guān)鍵技術(shù)買不來、學(xué)不來的情況下，我國更需要研究人員沉下心來，擊破“卡脖子”難題。“這次大賽結(jié)果再次證明，年輕人可以扛大梁。”談到未來，呂志鵬充滿信心，“我們也希望和其他研究者分享經(jīng)驗，共同解決算法研究從實驗室到企業(yè)的‘最后一公里’問題，為國家培養(yǎng)更多人才。”
《 人民日報 》（ 2021年11月23日 12 版）