探前沿算法 解應(yīng)用難題
——記國(guó)際EDA競(jìng)賽冠軍、華中科技大學(xué)呂志鵬教授團(tuán)隊(duì)

文/趙琳琳

華中科技大學(xué)計(jì)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(huì)兒就點(diǎn)擊鼠標(biāo)、刷新網(wǎng)頁(yè)。突然，網(wǎng)頁(yè)更新了，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)國(guó)際會(huì)議（ICCAD）電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）布局布線算法競(jìng)賽第一名的名單里，赫然出現(xiàn)了他們團(tuán)隊(duì)的名字：羅燦輝、梁鏡湖、謝振軒、蘇宙行、呂志鵬。“我太激動(dòng)了，第一時(shí)間和團(tuán)隊(duì)分享了這個(gè)好消息。”羅燦輝說。

羅燦輝所在團(tuán)隊(duì)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(jìng)賽，如此年輕的團(tuán)隊(duì)，能從12個(gè)國(guó)家和地區(qū)的137支隊(duì)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(jiǎng)，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(guó)的大地上。”

奪冠離不開深厚積淀

EDA就是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，來完成芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證等流程的設(shè)計(jì)方式。EDA布局布線設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)最優(yōu)“施工圖”。

EDA是電子設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)年輕團(tuán)隊(duì)的奪冠，離不開研究所在算法領(lǐng)域40余年的積淀。20世紀(jì)80年代，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院成立人工智能與優(yōu)化研究所，第一任所長(zhǎng)黃文奇成為國(guó)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（NP-hard problem），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(jì)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(huì)的一些設(shè)計(jì)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(shí)，黃文奇接到一個(gè)研究課題，需要將一個(gè)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(shí)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(chǎng)景，讓他靈光一閃。他把擠公交的場(chǎng)景等價(jià)為一個(gè)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(shí)際應(yīng)用難題

團(tuán)隊(duì)成員合影 （圖/華中科技大學(xué)官網(wǎng)）

獲獎(jiǎng)證書（圖/華中科技大學(xué)官網(wǎng)）

每家醫(yī)院都有很多護(hù)士，但護(hù)士的層級(jí)、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(shí)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(jìng)賽并獲得第三名的好成績(jī)。讓他驚奇的是，競(jìng)賽成果立刻被運(yùn)用到了各大醫(yī)院。

“在國(guó)外，從護(hù)士排班到快遞物流、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等都有算法的應(yīng)用，很多企業(yè)會(huì)把算法跟工業(yè)緊密結(jié)合。我國(guó)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。從2011年起，他便致力于科研的應(yīng)用化轉(zhuǎn)型。

機(jī)會(huì)不期而至。2011年畢業(yè)季，一家企業(yè)到華中科技大學(xué)招聘，面試官與一名求職的研究生交談時(shí)，聊起研究生正在參與的一個(gè)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(qǐng)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(duì)做的第一個(gè)應(yīng)用型項(xiàng)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(duì)正式將算法研究應(yīng)用于實(shí)業(yè)。”呂志鵬說。一年半后，他們拿出了一個(gè)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(shí)驗(yàn)室到企業(yè)，他們?cè)O(shè)計(jì)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(jiān)持“從0到1”的突破

算法領(lǐng)域的很多國(guó)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(duì)此次參加的ICCAD是EDA領(lǐng)域歷史最悠久的頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議之一。本屆比賽的題目，正是當(dāng)下最前沿的芯片設(shè)計(jì)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(gè)人的特長(zhǎng)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(duì)隊(duì)員們最深的印象。而實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破，是隊(duì)員們最興奮的時(shí)刻。經(jīng)過4個(gè)月的不懈努力，在無數(shù)次試錯(cuò)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(duì)成員堅(jiān)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(guó)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(yàn)，共同解決算法研究從實(shí)驗(yàn)室到企業(yè)的‘最后一公里’問題，為國(guó)家培養(yǎng)更多人才。”