挑戰(zhàn)鑄就中國(guó)芯——記中國(guó)工程院院士鄧中翰

文 胡玉枝（北京）

在國(guó)家工信部（原信息產(chǎn)業(yè)部）的直接領(lǐng)導(dǎo)下，在財(cái)政部、科技部、國(guó)家發(fā)改委等有關(guān)部門的支持下，鄧中翰在北京中關(guān)村承擔(dān)并啟動(dòng)了國(guó)家“星光中國(guó)芯工程”，擔(dān)任工程總指揮，開啟了回國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新歷程。

什么是我國(guó)每年進(jìn)口額最高的物資？這恐怕很多人都不清楚。

“每年我國(guó)進(jìn)口的最大物資不是石油天然氣，也不是糧食，而是芯片。據(jù)了解，每年我國(guó)芯片的進(jìn)口額多達(dá)兩千多億美元，折合一萬(wàn)多億人民幣。而芯片安全，關(guān)乎著信息安全、國(guó)家安全，核心技術(shù)無(wú)法從國(guó)外購(gòu)買，只能依靠自主創(chuàng)新?！币徽Z(yǔ)驚醒國(guó)人的，是在2018年全國(guó)“兩會(huì)”中當(dāng)選第十三屆全國(guó)政協(xié)委員的鄧中翰。

鄧中翰，中國(guó)工程院院士，第十三屆全國(guó)政協(xié)委員，第十三屆全國(guó)政協(xié)教科衛(wèi)體專委會(huì)委員，歐美同學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，“星光中國(guó)芯工程”總指揮，數(shù)字多媒體芯片技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中星微集團(tuán)首席科學(xué)家。他本科畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)，后留學(xué)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，獲電子工程學(xué)博士、物理學(xué)碩士和經(jīng)濟(jì)學(xué)碩士學(xué)位。

1999年10月，鄧中翰應(yīng)邀回國(guó)參加建國(guó)50周年國(guó)慶觀禮，并受到了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的親切接見(jiàn)和殷切召喚。為了祖國(guó)集成電路事業(yè)的起步，鄧中翰毅然放棄了在美國(guó)的成功事業(yè)和優(yōu)裕生活。在國(guó)家工信部（原信息產(chǎn)業(yè)部）的直接領(lǐng)導(dǎo)下，在財(cái)政部、科技部、國(guó)家發(fā)改委等有關(guān)部門的支持下，鄧中翰在北京中關(guān)村承擔(dān)并啟動(dòng)了國(guó)家“星光中國(guó)芯工程”，擔(dān)任工程總指揮，開啟了回國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新歷程。

回國(guó)創(chuàng)業(yè)滿載榮譽(yù)，為國(guó)效力不忘初心

作為“星光中國(guó)芯工程”總指揮，鄧中翰多年來(lái)一直在一線帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行超大規(guī)模集成電路芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化工作，成功組建了芯片技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，積極探索并引入硅谷機(jī)制，創(chuàng)建了中星微電子公司，吸引了逾百位優(yōu)秀海外留學(xué)人員回國(guó)工作。

經(jīng)過(guò)艱苦努力，鄧中翰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算架構(gòu)等十五大核心技術(shù)的重大突破，申請(qǐng)了3000多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外專利，成功開發(fā)了全球第一款應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)圖像輸入處理的單晶片、高性能、低功耗超大規(guī)模集成電路，這是我國(guó)第一個(gè)大規(guī)模打入國(guó)際市場(chǎng)的“中國(guó)芯”，占據(jù)了該領(lǐng)域全球60%以上的市場(chǎng)，市場(chǎng)份額位居第一，被蘋果、三星、惠普、索尼、LG、聯(lián)想、華為等科技巨頭采用，并榮獲2004年“國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

2005年，中星微國(guó)際公司成為我國(guó)第一家在美國(guó)納斯達(dá)克上市的芯片設(shè)計(jì)核心技術(shù)企業(yè)，并榮獲全球半導(dǎo)體設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)年度大獎(jiǎng)。

在“星光中國(guó)芯工程”成立十周年之際，黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)來(lái)賀信：“你和你的同事們懷著赤子之心、報(bào)國(guó)之志，十年拼搏，自主創(chuàng)新，打破了國(guó)外芯片產(chǎn)品的壟斷地位，使我國(guó)集成電路芯片第一次在一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地，在國(guó)際上徹底結(jié)束了中國(guó)無(wú)‘芯’的歷史。在你們創(chuàng)業(yè)十周年之際，謹(jǐn)向你們表示熱烈祝賀！望你們從新的歷史起點(diǎn)出發(fā)，再創(chuàng)新的輝煌。”鄧中翰也因在“星光中國(guó)芯工程”中的工作成績(jī)成為全國(guó)勞動(dòng)模范，并于2009年當(dāng)選為中國(guó)工程院歷史上最年輕的院士。

多年來(lái)，鄧中翰為國(guó)家和社會(huì)的改革、建設(shè)、發(fā)展發(fā)揮了積極的作用。他兼任了第十三屆全國(guó)政協(xié)委員，第十三屆全國(guó)政協(xié)教科衛(wèi)體專委會(huì)委員，第十一屆和十二屆全國(guó)人大代表，第十二屆全國(guó)人大教科文衛(wèi)委員，第八屆中國(guó)科協(xié)副主席，第十一屆全國(guó)青聯(lián)副主席，歐美同學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，全國(guó)音視頻及多媒體系統(tǒng)與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)副主任委員等職務(wù)，在組織安排下，先后參加了中共中央黨校、井岡山干部學(xué)院、延安干部學(xué)院等培訓(xùn)班。多次受到習(xí)近平同志的親切接見(jiàn)。

對(duì)已經(jīng)滿載榮譽(yù)的鄧中翰來(lái)說(shuō)，為國(guó)家的實(shí)際需要貢獻(xiàn)出自己的智慧和專業(yè)能力，是矢志不渝的追求。

2012年，他帶領(lǐng)“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的攻關(guān)任務(wù)，為國(guó)家電網(wǎng)大范圍解決南方冰雪災(zāi)害治理與預(yù)防問(wèn)題發(fā)揮了關(guān)鍵作用，并藉此于2013年再次帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)榮獲“國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

攻關(guān)自主可控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)國(guó)家信息安全

為保障國(guó)家信息安全，鄧中翰帶領(lǐng)“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)與公安部第一研究所作為聯(lián)合組長(zhǎng)單位牽頭攻關(guān)，先后推出兩代具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的SVAC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)號(hào)：GB/T 25724-2010、GB/T 25724-2017）和公共安全視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)號(hào)：GB 35114-2010、GB 35114-2017），以及多次迭代的基礎(chǔ)編解碼芯片，搭建起我國(guó)自主可控的從芯片、算法、終端設(shè)備、系統(tǒng)平臺(tái)到整體解決方案的安防產(chǎn)業(yè)鏈，為更好地保障國(guó)家安全、公共安全和信息安全做出了基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性貢獻(xiàn)，為全面建成“全域覆蓋、全網(wǎng)共享、全時(shí)可用、全程可控”的公共安全視頻信息網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來(lái)、買不來(lái)、討不來(lái)的。只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中，才能從根本上保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全和其他安全。

“公共安全視頻信息的傳輸，要像國(guó)家電網(wǎng)一樣沒(méi)有后門，否則損失不可估量。”鄧中翰說(shuō)，SVAC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用我國(guó)自主核心編解碼芯片，沒(méi)有可被國(guó)外控制的“后門”、不受制于人，確保自主可控?！靶枪庵袊?guó)芯工程”堅(jiān)決不用國(guó)外專利，在很長(zhǎng)時(shí)間中自主研發(fā)，因而承擔(dān)“星光中國(guó)芯工程”的中星微能夠在2005年NASDAQ上市后，經(jīng)歷國(guó)際市場(chǎng)的考驗(yàn)，十多年間沒(méi)有專利、知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛。

深耕視覺(jué)圖像處理人工智能芯片

鄧中翰深知，視覺(jué)是人類最大的信息采集通道，83%的人類信息是通過(guò)視覺(jué)獲得的，同理適用于人工智能的信息采集。通過(guò)圖像感知獲得的數(shù)據(jù)，是人工智能進(jìn)行學(xué)習(xí)和推斷的基礎(chǔ)，也是最難結(jié)構(gòu)化獲取的數(shù)據(jù)。而公共安全視頻信息處理是大數(shù)據(jù)最好的試驗(yàn)場(chǎng)，是公認(rèn)的人工智能落地最快的場(chǎng)景，是我國(guó)在人工智能及人工智能芯片技術(shù)上“領(lǐng)跑”的無(wú)人地帶和突破口。

在升級(jí)版的SVAC 2.0國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)編解碼核心芯片的智能化提出更高性能要求的指引下，鄧中翰帶領(lǐng)“星光中國(guó)芯工程”在視覺(jué)圖像處理人工智能芯片領(lǐng)域展開扎實(shí)的研發(fā)工作。

2016年6月，“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)發(fā)布了全球首顆具備深度學(xué)習(xí)人工智能的嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU），命名為“星光智能一號(hào)”，并成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。該芯片擁有深度學(xué)習(xí)能力，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算架構(gòu)，而非傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)。鄧中翰在讀博士時(shí)期就提出采用這種新的架構(gòu)，并將其應(yīng)用在后來(lái)的很多產(chǎn)品中。這種采用數(shù)據(jù)流（Dataflow）架構(gòu)的處理器，提升了計(jì)算能力與功耗比。高效率的數(shù)據(jù)組織、共享和搬移方式，適合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大量數(shù)據(jù)的算法特點(diǎn)，同時(shí)還支持級(jí)聯(lián)方式，可以滿足復(fù)雜的運(yùn)算需求。另外，還針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以靈活配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持AlexNet、GoogleNet等幾類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持Caffe算法和Tensor Flow等主流深度學(xué)習(xí)軟件開發(fā)框架，適應(yīng)了大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。在“星光中國(guó)芯工程”的十五大核心技術(shù)中，第一個(gè)就是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算架構(gòu)技術(shù)。

2018年11月，鄧中翰帶領(lǐng)“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)打造的最新人工智能芯片成果——“星光智能二號(hào)”，獲評(píng)在第五屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)進(jìn)行成果展示。

“星光智能二號(hào)”嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU-II），采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法架構(gòu)，產(chǎn)品運(yùn)算性能高、功耗低、形狀因子小，峰值運(yùn)算能力達(dá)到1TMac/s，運(yùn)算頻率最高可達(dá)1Ghz，運(yùn)算單元數(shù)量是第一代NPU的8倍,兼具大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)和小數(shù)據(jù)樣本學(xué)習(xí)能力，集成了圖像處理單元和數(shù)據(jù)加密/解密模塊，完美滿足公共安全SVAC 2.0國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 25724-2017）的技術(shù)要求，可廣泛使用在智能家居系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)人值守系統(tǒng)、無(wú)人駕駛系統(tǒng)、無(wú)人作戰(zhàn)裝備等領(lǐng)域。同月，“星光智能二號(hào)”人工智能芯片還榮獲由EE Times主辦的全球雙峰會(huì)頒發(fā)的“2018全球電子成就獎(jiǎng)最佳處理器產(chǎn)品獎(jiǎng)”。

“新一代星光智能中國(guó)芯”輪廓正在變得清晰

當(dāng)前，業(yè)界專家普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體制造工藝已逼近香農(nóng)定理、摩爾定律的極限，而應(yīng)對(duì)大流量、低延時(shí)處理需求的新理論有待研究。

如果在后摩爾定律時(shí)代，繼續(xù)提升芯片性能，滿足在更短時(shí)間內(nèi)處理海量數(shù)據(jù)的需求，也是鄧中翰時(shí)刻思考的問(wèn)題。在鄧中翰的腦海中，始終縈繞著如何兼顧大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及小數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，如何以單芯片兼顧抽象邏輯思維模式與具象思維模式，如何同時(shí)處理規(guī)則驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)智能算法以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)算法，如何在后摩爾定律時(shí)代繼續(xù)提升性能功耗比等推動(dòng)芯片技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。

對(duì)于這些問(wèn)題，鄧中翰已經(jīng)有了初步的解決思路。

他透露，“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)將在信息處理的方法與芯片架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，從過(guò)去利用CPU/DSP進(jìn)行傳統(tǒng)算法的運(yùn)算，到目前用NPU進(jìn)行深度學(xué)習(xí)運(yùn)算，再到未來(lái)利用“多核異構(gòu)智能處理器”進(jìn)行多模式的算法運(yùn)算，包括邏輯推理、規(guī)則驅(qū)動(dòng)的算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的算法。通過(guò)算法與處理器架構(gòu)的改進(jìn)，不斷提升性能/功耗比，從而延續(xù)摩爾定律的生命周期。

談到今后的研究方向，鄧中翰說(shuō)，他將帶領(lǐng)“星光中國(guó)芯工程”團(tuán)隊(duì)開展“多核異構(gòu)人工智能處理器”的研究，為在后摩爾定律時(shí)代不斷提升信息處理能力探索一條行之有效的自主創(chuàng)新之路，早日打造出更加接近生物人腦工作機(jī)理、更低功耗、更高運(yùn)算性能的“新一代星光智能中國(guó)芯”。