筑夢計算 加速人生
——記北京大學信息科學技術(shù)學院特聘研究員羅國杰

本刊記者 衛(wèi)婷婷

羅國杰在2017ACM-ICPC現(xiàn)場

“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開?！痹诘教幎紡浡鷻C與春意的四月里，正是人們放飛希望、展望未來的好時節(jié)。就在4月19日，北京大學也迎來了科研中的一抹春色。第42屆國際大學生程序設計競賽（ACM-ICPC或ICPC）全球總決賽在北京大學落下帷幕，經(jīng)過激烈角逐后，北京大學代表隊在140支隊伍中脫穎而出，獲得了全球第三、亞洲第一的好成績。同時這也是北京大學代表隊在2014年獲得金牌第三名的突破性成績后，再次奪金。

賽場中，密切關注比賽狀況的指導老師羅國杰，在聽到結(jié)果后終于長舒一口氣，領獎臺上的他也笑得格外燦爛。

被譽為“計算機程序設計領域奧林匹克”的國際大學生程序設計競賽是一項考驗學生編寫程序、分析和解決問題能力的國際競賽，從1970年第一屆舉辦開始，在經(jīng)過40多年的發(fā)展后，它已經(jīng)成為全球最具影響力的大學生程序設計競賽?！斑@是一個展示學生創(chuàng)新能力與團隊精神于一體的計算機領域的舞臺，參與競賽更是一種為校爭奪榮譽的體現(xiàn)?！睆?012年開始，北京大學信息科學技術(shù)學院特聘研究員羅國杰就擔任北京大學ACM競賽的教練員，負責選拔、指導與培訓學生等相關工作，這次北京大學作為東道主，自己的學生又能夠獲得這樣的好成績，羅國杰甚是欣慰。多年來，他一直在努力探索計算機領域的奧秘，并在電子設計自動化、基于FPGA及新型器件的異構(gòu)計算以及醫(yī)學圖像分析算法等方向上，演繹出多彩的科研人生。

“芯”路歷程

如果要問羅國杰對什么感興趣，也許他能想到的只有計算機了。2001年，一心向往北京大學濃厚學術(shù)氛圍的羅國杰，如愿來到北京大學計算機系，經(jīng)過本科4年的學習，他對計算機領域的基礎知識已經(jīng)有了系統(tǒng)的了解。但計算機仿佛是個無底洞，越接觸就會越被它自身的魅力所吸引。于是，在老師的建議下，也為了繼續(xù)探索計算機領域里更深層的秘密，2005年一畢業(yè)，羅國杰便遠赴美國加州大學洛杉磯校區(qū)學習，并相繼獲得了碩士與博士學位。

“本科期間主要重點集中于學習書本知識，在碩士及博士期間則在書本中的基礎知識之外，對計算機進行了更深入的研究?！绷_國杰表示。在國外求學期間，他專注于三維芯片布局和布圖等方面的研究，試圖在后摩爾定律時代進一步提高芯片的集成度和性能。

他提到，要想提高芯片集成度和性能，當時面臨著幾個急需解決的難題。新的制造工藝和新的集成技術(shù)是一方面；另一方面，即便有了可以應用的工藝技術(shù)，但面對規(guī)模日益龐大的電路系統(tǒng)，又該如何對芯片的升級實現(xiàn)有效的設計呢？“這就涉及到設計自動化的問題。”羅國杰說道，但當時缺乏的正是面向大規(guī)模三維芯片設計的自動化布局方法。

羅國杰并不氣餒，他針對硅通孔（TSV）三維芯片布局設計算法進行了開創(chuàng)性的工作。他表示，與傳統(tǒng)二維芯片相比，三維芯片具有提高集成度、縮短時延、降低功耗、支持異構(gòu)集成等優(yōu)勢，那么能否將二維芯片的不利條件轉(zhuǎn)化為有利條件呢？為此，羅國杰利用三維折疊的理念，提出將二維布局轉(zhuǎn)換為三維布局的算法以及降低TSV數(shù)目和溫度的優(yōu)化技術(shù)。羅國杰將成果發(fā)表在《基于變換的三維芯片熱布局方法》這一論文中，并獲得第22屆亞洲及南太平洋電子設計自動化會議(ASP-DAC)十年最具影響力論文獎，近年來，成果陸續(xù)被大多數(shù)關于三維芯片物理設計的后繼工作所引用。

獲第22屆ASP-DAC十年最具影響力論文獎

與學生在一起

為計算加速

在羅國杰心中，除了科研工作，他還想將學到的知識不斷傳遞下去?！翱赡苁鞘艿綄煹挠绊?，我覺得如果能重回學校，成為一名教師，維護學生對知識的好奇心和熱情是很有意義的一件事。”2011年，博士畢業(yè)前夕，正值羅國杰的母校北京大學高能效計算與應用中心成立不久，借此機會，羅國杰毅然決定回國，來到高能效計算與應用中心任職。

回到熟悉的校園，羅國杰來不及懷念過去，就立即投入到了下一階段的研究中。定制化和專門化是后摩爾定律時代提高計算性能的另一手段，他面向FPGA可重構(gòu)計算的設計自動化算法進行了深入研究。FPGA，也就是現(xiàn)場可編程門陣列，作為一種可重構(gòu)電路，既能面向應用或領域的特點實現(xiàn)計算的定制化，又能克服專用集成電路靈活性不足的缺點。

如果想要定制化地完成計算任務，就需要使用可重構(gòu)邏輯，但長期阻礙任務完成的關鍵就在于其開發(fā)效率的低下，盡管高層次綜合在一定程度上緩解了此問題，但漫長的后端綜合時間所帶來的問題仍然很嚴重。“所以一定要為計算加速！”羅國杰補充道。他帶領團隊迎難而上，面向FPGA可重構(gòu)邏輯的后端綜合工具鏈，從并行化、參數(shù)調(diào)節(jié)等多個角度分別展開了加速方法的相關研究，取得了后端工具計算速度上的全新突破。在當時很長一段時間內(nèi)，羅國杰在研究中獲得的后端算法計算速度都在國內(nèi)該領域中保持著最快的紀錄。

一直以來，羅國杰都是真正踏下心來做科研的，同時也練就了他溫和沉穩(wěn)的性格，這點在他與學生交流與溝通中表現(xiàn)得淋漓盡致。在與學生交流中，羅國杰極其有耐心，也時常會就一些自己關注的熱點問題與學生溝通，及時了解學生想法，以便更好地對學生的科學研究進行指導。在他看來，學生的成功，就是自己的成功?！爸灰吹綄W生的成長，我就已經(jīng)很滿足了。”羅國杰笑談道。

此外，已經(jīng)指導學生參與6年的ACM競賽，羅國杰有了自己的一些心得體會，對未來的參賽題目與比賽形式也有自己的看法。他認為，ACM競賽在北京大學的影響絕不會隨著比賽的結(jié)束而結(jié)束，目前，學校希望以比賽為契機，在學科的基礎教育上做出更多努力。羅國杰提到，可以通過改進比賽題目或形式，將教育界、科研界、產(chǎn)業(yè)界聯(lián)系起來，在教育和科技之間架一座橋梁，將雙方在各個領域內(nèi)需要的新興基礎技能都集中體現(xiàn)在比賽過程中，這樣一來，能夠更好地培養(yǎng)和選拔出高層次的人才。

吾生也有涯，而知也無涯。在羅國杰看來，計算機領域里的學問是無窮無盡的，更是值得他用一生去探尋的。未來，無論是在科研還是教學上的工作，他都會始終如一，有條不紊地進行，為自己交出一份滿意的答卷。