筑夢計算 加速人生
——記北京大學信息科學技術學院特聘研究員羅國杰

本刊記者 衛婷婷

羅國杰在2017ACM-ICPC現場

“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開。”在到處都彌漫著生機與春意的四月里，正是人們放飛希望、展望未來的好時節。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，在經過40多年的發展后，它已經成為全球最具影響力的大學生程序設計競賽。“這是一個展示學生創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。”從2012年開始，北京大學信息科學技術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及新型器件的異構計算以及醫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氛圍的羅國杰，如愿來到北京大學計算機系，經過本科4年的學習，他對計算機領域的基礎知識已經有了系統的了解。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，也為了繼續探索計算機領域里更深層的秘密，2005年一畢業，羅國杰便遠赴美國加州大學洛杉磯校區學習，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。”羅國杰表示。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是一方面；另一方面，即便有了可以應用的工藝技術，但面對規模日益龐大的電路系統，又該如何對芯片的升級實現有效的設計呢？“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性的工作。他表示，與傳統二維芯片相比，三維芯片具有提高集成度、縮短時延、降低功耗、支持異構集成等優勢，那么能否將二維芯片的不利條件轉化為有利條件呢？為此，羅國杰利用三維折疊的理念，提出將二維布局轉換為三維布局的算法以及降低TSV數目和溫度的優化技術。羅國杰將成果發表在《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，成果陸續被大多數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。“可能是受到導師的影響，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可重構計算的設計自動化算法進行了深入研究。FPGA，也就是現場可編程門陣列，作為一種可重構電路，既能面向應用或領域的特點實現計算的定制化，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，就需要使用可重構邏輯，但長期阻礙任務完成的關鍵就在于其開發效率的低下，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可重構邏輯的后端綜合工具鏈，從并行化、參數調節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，羅國杰在研究中獲得的后端算法計算速度都在國內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的性格，這點在他與學生交流與溝通中表現得淋漓盡致。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。“只要看到學生的成長，我就已經很滿足了。”羅國杰笑談道。

此外，已經指導學生參與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束而結束，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、產業界聯系起來，在教育和科技之間架一座橋梁，將雙方在各個領域內需要的新興基礎技能都集中體現在比賽過程中，這樣一來，能夠更好地培養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。