建功中國芯崛起時代
——記處理器芯片全國重點實驗室

處理器芯片科技是一個涉及基礎研究、技術突破和產(chǎn)業(yè)應用等多個方面的復雜體系：以集成電路制造工藝為基礎，以海量的工程師資源為投入，以生態(tài)為產(chǎn)學研用循環(huán)的載體，基于集成電路設計自動化工具、處理器開發(fā)平臺、系統(tǒng)軟件等基線工具，根據(jù)信息應用的速度、能效、成本等具體需求，連續(xù)不斷地衍生、發(fā)展出以通用處理器為代表的，覆蓋云、邊、端、網(wǎng)、智等場景的種類繁多的處理器芯片產(chǎn)品。

院士領銜建設精英隊伍

處理器芯片全國重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）依托中國科學院計算技術研究所建設，由3名院士領銜，在原計算機體系結構國家重點實驗室的基礎上實質(zhì)性優(yōu)化組建。它是中國科學院批準正式啟動建設的首批重點實驗室之一，并被科技部遴選為首批20個標桿全國重點實驗室之一（2022年5月25日正式啟動建設）。

實驗室定位為處理器芯片領域的前沿技術研究。實驗室立足于國際學科發(fā)展前沿，聚焦后摩爾時代制約處理器芯片發(fā)展的工藝微縮放緩、設計空間爆炸、應用生態(tài)碎片化三大挑戰(zhàn)背后的核心科技問題（能效墻、設計墻和指令集墻），發(fā)展相應的基線工具平臺（開放跨層優(yōu)化集成電路設計自動化、開源智能設計平臺、跨平臺統(tǒng)一系統(tǒng)軟件棧），基于上述基礎，研制國際先進的系列化核心處理器芯片，有效支撐端邊云網(wǎng)智等主流應用場景。

目前，實驗室形成了五大研究方向。

——微體系結構研究。突破自主指令集架構、領域專用架構、內(nèi)存控制器、互聯(lián)及封裝等關鍵技術，研制全面覆蓋主流應用場景的通用處理器、智能處理器、通信處理器、數(shù)據(jù)處理器、物端處理器等新體系處理器芯片。

——處理器/集成電路設計自動化研究。圍繞通用性-能效關系理論，突破算法-架構-工藝跨層優(yōu)化、智能自動化設計、高性能功能仿真、高質(zhì)量設計綜合、高可靠驗證測試等關鍵技術，研制支持跨層優(yōu)化的處理器前端集成電路設計自動化工具鏈，提升新體系處理器芯片能效。

——處理器設計方法研究。圍繞設計智能化理論，突破智能化設計方法、容錯與可靠性設計、開源智能開發(fā)平臺等關鍵技術，研制數(shù)千人協(xié)作的開源智能開發(fā)平臺，提升新體系處理器芯片開發(fā)效率。

寒武紀云端智能芯片

中國科學院大學

——系統(tǒng)軟件研究。圍繞融合指令集結構理論，突破跨平臺虛擬機技術、融合性指令集系統(tǒng)、統(tǒng)一編程語言等關鍵技術，研制跨平臺統(tǒng)一系統(tǒng)軟件棧，擴展新體系處理器芯片的生態(tài)。

——新原理處理器研究。為探索超越摩爾定律的有效途徑，開展光處理器、集成電路設計自動化處理器、超導處理器、量子處理器、類腦處理器等相關研究，實現(xiàn)面向特定應用的性能和能效的指數(shù)級增長及安全性保障。

在這些研究領域，實驗室將實質(zhì)化整合國內(nèi)處理器創(chuàng)新的產(chǎn)學研優(yōu)勢力量，以中國科學院計算技術研究所和中國科學院大學160余名固定研究人員（院士3人、國家杰青6人、萬人領軍2人、正高46人、副高58人）為基礎進行建設，并吸納來自國內(nèi)處理器芯片優(yōu)勢企業(yè)的流動工程人員和來自國內(nèi)一流高校的研究生，形成精英隊伍，使實驗室不斷發(fā)展壯大。

產(chǎn)學研結合引領行業(yè)向前

實驗室的前身（計算機體系結構國家重點實驗室）自2019年起，在科技部、發(fā)改委和中國科學院先導多個專項的支持下建設了處理器基礎研究一體化平臺，是國內(nèi)科研機構規(guī)模最大、功能最齊全的處理器基礎研究平臺之一。此平臺有力保障了多項國家級重點項目的順利開展。

實驗室旨在解決處理器芯片發(fā)展的核心問題，完整構建體系化處理器體系結構理論、技術和基線工具。在此基礎上，以實驗室為核心，通過構建融通圈、協(xié)作圈和牽引圈，層次化帶動我國處理器芯片的產(chǎn)學研優(yōu)勢力量，推動打通國產(chǎn)處理器芯片的產(chǎn)學研創(chuàng)新鏈條。

在基礎研究方面，實驗室在處理器芯片領域國際頂級會議發(fā)表論文的數(shù)量列居國內(nèi)第一、國際前二十，在國際上成功開創(chuàng)了深度學習處理器等熱門研究方向，研究成果被近5年國際計算機系統(tǒng)結構年會中近20%的論文引用。

在技術突破方面，實驗室多次實現(xiàn)了我國處理器領域零的突破，包括我國首款高性能通用處理器芯片“龍芯1號”，國際首款深度學習處理器芯片“寒武紀1號”等，獲得了處理器芯片領域首個國家自然科學獎等6項國家級科技獎勵。

在產(chǎn)業(yè)孵化方面，實驗室孵化了總市值超過千億元的國產(chǎn)處理器產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)（龍芯中科、中科寒武紀、中科海光、中科晶上、中科睿芯、中科物棲、中科馭數(shù)等），成果技術轉移收益上億元。

如今，實驗室已是處理器體系結構領域國內(nèi)領先、國際一流的研究機構，是我國處理器基礎研究、技術突破和產(chǎn)業(yè)應用三方面的領頭、源頭和龍頭。

2023年4月11日，在啟動建設近一周年之際，因與華為在異構編譯領域的杰出合作，實驗室的編譯與編程室團隊榮獲2022年度華為計算產(chǎn)品線最佳技術合作獎。相關研究團隊通過昇騰訪存模型創(chuàng)新、突破編譯器自動流水編排等關鍵技術，大幅提升了昇騰算子開發(fā)易用性和效率，使得開發(fā)量降低70%，開發(fā)難度降低50%，解決了客戶開發(fā)算子的痛點，并積極布局了關鍵領域的高價值專利。

未來，實驗室將賡續(xù)創(chuàng)新，為中國芯的崛起建功不輟！