芯辰大海，一苇以航！北航F928团队斩获创“芯”之星背后故事

“知行合一”，是对科研工作者的完美诠释，这一次，在创“芯”大赛的舞台上，他们躬亲践行，并问鼎巅峰。

3月18日，“华为杯”第四届中国研究生创“芯”大赛竞演及颁奖典礼举行，由北京航空航天大学电子信息工程学院李洪革教授指导，陈宇昊、祝亚楠、高云飞三位队员组成的“F928”团队斩获大赛最高荣誉——创“芯”之星。

爱集微作为“华为杯”中国研究生创“芯”大赛官方合作伙伴，赛后与这支获奖队伍的指导老师李洪革教授，以及队长陈宇昊进行了深度交流，听他们分享了这次精彩的参赛之旅，以及背后的故事。

项目雏形萌生于F928实验室，雕琢细节、向上求索

不免引人好奇，以“F928”作为团队的参赛名称背后有怎样的故事？李洪革教授笑着回忆道，“其实，我在安排参加大赛之后，基本上都是由学生报名填写线上相关的信息，然后学生就直接以我们实验室的门牌号做为团队名称。不过，按照中国传统风俗来看，这个门牌号还蕴藏幸运。”

这次参赛项目的雏形也萌生于F928实验室。李洪革教授谈到：“参赛项目是我们团队的重点科研方向，基本的雏形甚至在报名时，我们FPGA的演示验证系统基本已经搭建完成，只需完善一些细节。参赛进程也几乎是按照我们实验室的研究进展往前走，当然这也是大赛与科研两者的融合，对学生来说是挑战也是激励，这样他们就有更大的积极性和热情投入其中。”

F928团队的参赛作品是“概率计算神经网络架构”，这也是目前全球智能计算领域的研究热点。李洪革教授介绍道，北航类脑芯片团队正在开展概率计算（也翻译为“随机计算”，Stochastic Computing）国际热点问题的研究。概率计算是利用脉冲形式的数据实现的计算，这是与二进制逻辑完全不同的计算机制。目前，人工智能边缘计算对算力、能效提出更高要求。而在自动驾驶、智能安防和目标识别等领域，冯氏架构和二进制数AI加速器的功耗墙和带宽墙问题越来越突出，新混合概率计算机制可能成为破解的重要方法。针对传统概率计算延迟大的问题，F928团队融合二进制逻辑，提出了更高效率的混合概率计算。这一新计算机制完美提高了计算速度与硬件开销，实现更高的计算效力。

随着大赛开启，F928团队不断雕琢细节，向上求索。李洪革教授分享称，例如，在刚报名时，我们的演示验证系统还是用的静态图像，直接输入的图像，而等到大赛快结束，也就是去年年底今年年初，我们就改成了一个实时的视频录入，这样的话，又提高了很多的细节和难度。

深入到参赛作品的研发过程，队长陈宇昊表示，大概分为三个主要阶段：

第一个阶段是有关基本运算方式的理论研究与突破。这一突破的实现源于对现有概率计算方法的整理归纳与总结，只有充分了解现有技术的特点与优劣势，才可能探索出新的方案。通过阅读和复现有关概率计算的文献之后，我们察觉到概率计算的主要劣势在于其低效率的编码方式。着眼于这一问题，我们在保留概率计算核心特征的同时，提出了混合流的编码方式与对应的运算体系，这一新方案提升了编码效率和运算速度。

第二个阶段是将新的运算体系应用到神经网络加速器的设计之中。主要难点在于如何实现可重构的功能，这给电路的控制模块带来了较高的设计复杂度。我们先详细地罗列出电路的具体运算步骤，确定工作过程，再根据仿真波形一点一点地对电路进行调试和比对，这个过程比较考验耐性，慢工出细活。

第三个阶段是把设计的神经网络加速器实际应用到具体任务中。我们在两类经典的任务上进行了应用，分别是图像分类和目标检测。其中目标检测任务给我们带来了不少麻烦，检测框的回归运算需要使用arm核进行处理，涉及了ZYNQ开发板的arm核使用方法，这对我们而言是较为陌生的领域，虽然是一项偏工程类的工作，有很多相关资料可以学习，但过程中还是会遇到很多琐碎的问题。

分工协作“问鼎”最高荣誉，广受投资机构和地方政府关注

本次大赛正逢疫情之下，比赛过程时断时续、科研进展也颇受影响。那么，在这样一个高难度参赛项目的开发过程中，团队成员是如何分工、协作，最终得以问鼎大赛最高荣誉的呢？

在这个项目整个开发过程，李洪革教授主要负责参赛的方向，研究重点问题和学生需要的硬件资源的保障；陈宇昊负责概率计算数理机理、基础模块和网络训练等实验；高云飞负责异步逻辑架构LIF类脑网络模型验证；祝亚楠负责AI加速器FPGA板卡开发、硬件周边开发以及目标回归分析等。李洪革教授表示：“三位同学分工协作，才使得比赛不仅如期完成，更让我们的成绩既有深度和高度，也更为可视化，让各位专家更容易理解和认识。”

在整个项目过程当中，如何使研究更有深度，是F928团队面临的一大关键困难和挫折。李洪革教授谈道，现在回想起来，确实如前人所说，在研究方面，有些机理性的问题可能更具有主导作用。我们知道，爱因斯坦在研究《相对论》时，他曾经抽出7年时间去重新学习高等数学。作为世界最著名的大科学家，他对数学的基础问题，当然可能更偏向于物理机理，离不开数学。那么，即便是像我们这样要研究一些机理性的问题，也离不开数学。所以，在这个过程中，我们又重新把相关的数理问题进行了详细梳理，并在对应的计算电路的基础上发现我们的工作和别人完全不同，同时也得到了新的结论。现在我们团队的研究方向连续被两个IEEE的权威期刊所刊用，并且相关的国际会议ISCAS和DAC也都对我们的成果给予了肯定。

“一份耕耘，一份收获”。李洪革教授表示，对于团队成员，本次大赛收获颇丰，极大激励了学生们的科研工作热情。“大赛给我们的学生提供了一个实时的跟进过程。因为其他两位同学是硕士生，所以作为硕士生，他们能做到这个程度已经相当不容易，将来到工作岗位中去，可能在实时的图像处理，甚至在深度学习算法和片上系统的调试上，他们都有一个很实际的动手和工作的经验。而队长陈宇昊，他当时又转博了，那么他就不仅仅是做大赛这个层面的工作，还要更深地去研究一些数理上的、机理上的问题，以及一些探索性的工作。”

对此，队长陈宇昊也分享道，“因为参加比赛时，我是刚刚转博，那时其实对自己做出来的这些东西还没有一个很清晰的认知，不知道我做的东西究竟有没有价值，有没有意义，参加了这个比赛以后，其实它在一定程度上给我树立了一些信心，确实让我认识到我工作确实有那么一些价值，也会为我未来的工作有一个推动的作用。”

尤为值得提及的是，F928此次参赛项目的落地前景也值得关注。李洪革教授表示，“本项目经大赛发布后，引起多家投资机构和地方政府等的广泛关注，包括国内非常有名的机构等，目前正在与某些机构洽谈中。”

半导体人才短缺下，高校人才培养方向亟需调整

李洪革教授表示，北航团队一贯秉承北航的校训“德才兼备、知行合一”理念。这一次，我们F928团队充分体现了“知行合一”的校训，也就是既要顶天又要落地，我们选择的题目和完成情况既是顶天——探索国际计算领域的前沿基础问题，从而提出实现了混合概率逻辑计算概念和FPGA硬件板卡的物理实现。一直以来，北航的学生培养特别注意从基础到实践，而实践又是与国家的重大需求紧密衔接，通过完成国家某些重大需求工程从而进一步探索基础问题的创新性。

纵观市场，我国半导体产业快速发展之时，人才短缺情况日益凸显，中国电子信息产业发展研究院报告指出，今年我国半导体产业人才缺口将近25万人，达到总需求的1/3。而在人才紧缺背景下，相关院校对口专业人才培养存在实践训练模式单一、缺乏行业实践的情况，导致在校学生和半导体产业脱节，不能很好地适应高速发展变化的行业需求。

对此，李洪革教授表示，对于国内面临的半导体人才短缺这一情况，高校在人才培养方面也需要不断调整。这也是全国的高等院校，包括我们每一位老师确实应该考虑的一大问题，你的研究方向是不是解决了国家实际的重点需求，我觉得不能完全追着国际热点走，因为每个国家的人才情况不一样，因此不能一概而论。

从高校过去这10多年的情况来看，高校更追求基础理论的探索，那么在芯片设计这一块往往是相对落后的，这也导致培养出来的人很难入行。李洪革教授建议，学校培养人才的比例，需要一个很好的调配环境，我们知道从事更基础的研究，对于学校来说好出成绩，对偏工程应用类的研究则很难出成绩，所以这个比例怎么权衡，其实也是摆在学校，乃至国家层面考察“破四维”须要考虑的紧要问题。现在，如果我们再不着手重点去培养一线关键技术方面的人才，那么再过几年可能我们就更被别人“卡脖子”了。

当然，部分校企合作的探索也正在进行。李洪革教授表示，其实像创“芯”大赛设置的一些题目，尤其像华为等其他部分企业也在设计了一些专项的题目。这也是培养校企合作的一个很好的方式。这样的话，可以较早地让学生能够进一步和企业的需求挂钩。但也需要看到，国内一些规模较弱的初创企业，可能就没有这种条件和能力，因此也更希望国内ICT的企业能够进一步发展壮大，只有发展壮大，可能才会在各个方面更有实力。如果没有实力的话，可能很多方面想做也没有能力做，这是不容回避的一个问题。

作为一家面向国际的专业ICT产业咨询服务机构，爱集微也时刻关注产业人才培养状况，在调研、实践中发现对口专业人才与产业存在脱节现象。为此，爱集微结合自身资源优势，从2019年起先后设立校友论坛、院长论坛等创新形式，以桥梁纽带作用推进产教融合人才培养体系建设。

2022年，第六届集微半导体峰会再启航，更隆重推出“集微芯星校企合作计划”，将在原有成果基础上，携手更多高校、产业链企业共建微电子学院校企合作服务平台，推进产学研深度合作，助力校企人才高效对接，打造集成电路产业人才发展新生态。