親兄弟雙雙挑戰人工智能 從早慧少年到科學家

“DianNao”和“DaDianNao”，是一種人工神經網絡晶片一代和二代的名字。聽外國人生硬地發這幾 個音，許多人都會偷偷發笑。這兩種晶片的設計者是一對親兄弟，參加國際會議時，兄弟倆經常要給外國同行正音，特別是“腦”的三聲發音，折磨許多人卷舌頭 重覆好多遍。可是在他們看來，這更獨具魅力，因為之前沒有中文發音的晶片。

讓科研成果變成一件好玩的事，是陳雲霽和陳天石——計算機界的一對“電腦兄弟”的真心希望。

1983年出生的陳雲霽，曾任龍芯3號總設計師，獲得首屆國家自然科學基金優秀青年科學基金，現在計算機體繫結構國家重點實驗室任研究員。 弟弟陳天石曾獲中國計算機學會優秀博士論文，現在為計算所副研究員。兄弟兩個先后畢業於中國科學技術大學少年班。今年1月31日，中國計算機學會 （CCF）舉行了頒獎大會，陳雲霽以第一順位榮獲2014年度CCF青年科學家。

2014年是兄弟倆豐收的一年。2014年3月在美國召開的國際頂級學術會議ASPLOS上，“DianNao：一種小尺度的高吞吐率機器 學習加速器”獲得了最佳論文。這不但是大陸科研機構首次在計算機系統和高性能計算領域頂級國際會議上獲得最佳論文，也是亞洲首次。2014年12月， 陳氏兄弟又推出了寒武紀2號神經網絡處理器（DaDianNao），榮獲2014年度Micro最佳論文。這是Micro自1963年創辦以來，美國以外 國家首次獲得這個獎項。

學術研究，壓力與快樂並存

“DianNao”和“DaDianNao”可以概括為體繫結構與人工智能交叉研究的成果，這是兄弟兩人原來不同研究方向的跨界結合。

體繫結構通俗地講，就是研究如何用晶體管的“磚石”搭出計算機的“大樓”。選擇這個方向，源於陳雲霽14歲到中國科學技術大學讀本科的研究經歷。

大三上學期，對未來還有點懵懂的陳雲霽把計算機系所有實驗室的門挨個敲了一遍，問是否接收本科生。最后，當時教《計算機體繫結構》課程的周 學海教授所在的實驗室收下了他。陳雲霽回憶，雖然只是給老師和師兄們打下手，但研發工作讓他感到：做一些有實際意義的工程、又是為國化做貢獻是非常快樂 的事。

大學最后一年，聽中科院計算所開始研製國處理器（即龍芯1號）。陳雲霽就特別希望能去讀研究生：“如果能加入國處理器的研發團隊，那太光榮了。”

2002年，陳雲霽心願達成，來到中科院計算所跟隨胡偉武研究員碩博連讀，成為國處理器龍芯研發團隊中最年輕的成員。

2007年博士畢業后，陳雲霽留在了中科院計算所龍芯團隊，在胡老師指導下進行龍芯3號的總體設計。

龍芯3號與龍芯1號、2號有所不同，已從單核發展到多核了。陳雲霽對此有個形象比喻：“以前一桌菜給一桌客人吃，現在一桌菜要給8桌客人吃。”

任務和性能要求大大提升，可是陳雲霽和同事看了很多論文，也找不到現成的解決方法，只能自己摸索。

最終，他提出了一種巧妙的辦法。

2008年北京奧運會舉辦期間，單位放假。陳雲霽在一個沒有空調的宿舍裏寫論文。雖然揮汗如雨，但心裏感覺很爽。論文最終被體繫結構領域三大旗艦會議HPCA錄用，這也是HPCA上第一篇第一作者來自中國大陸的論文。

想讓計算機更聰明

2010年，弟弟陳天石畢業，到計算所工作，研究方向是人工智能，這是計算機科學的一個分支，希望用計算機模擬人的智能，並生出能與人類智能方式相似的的智能機器。

在一個研究所工作，兩兄弟經常在一起討論問題。兩人設想“做一個東西讓計算機更聰明，終極目標像人一樣聰明”。也就是通過體繫結構來設計神經網絡晶片，在此之前計算機硬件的速度和功能已經成為神經網絡應用的瓶頸。

“在人類所有好奇的事物中，也許智能是最常見但又最神秘的一項。一旦人類能製造出和自己一樣具有複雜認知和創造能力的強人工智能計算機，整 個人類社會將會跨出前所未有的一大步。”陳雲霽介紹，人腦就是利用一個由大量神經元以及連接神經元的突觸組成的網絡來解決問題。1943年，搞心理學和邏 輯學的科學家提出人工神經網絡這一概念，但是其發展一直受到傳統通用處理器的低性能、高功耗的限制。

“專門的神經網絡處理器有需求”——確定了這個目標，“電腦兄弟”開始發力。

但是在實踐中，這條道路遠沒有想象的那麼平坦，他們遇到了很多困難。在提出了一系列基於人工智能方法的處理器研發技術，並多次向體繫結構頂級會議投稿后，最后都以被拒而告終。研究經費也是一大問題。

這些沒有讓他們放棄“人工智能”之夢，他們相信，只要把研究做得更深入，外在的困難總是能克服的。

一次偶然的機會，他們向南京大學周志華教授介紹使用人工智能方法來優化處理器結構方面的工作。周老師對此很感興趣，並敏地意識到這類工作 正是人工智能基礎算法研究者所希望看到的關鍵應用。在他的鼓勵和指導下，陳氏兄弟提出了一種基於半監督學習的處理器結構優化方法，並發表了論文。之后，各 種論文不斷出來，引起同行關注。

在給這項成果命名的時候，兄弟兩個也是費了一番心思，地質年代給了他們靈感。

“我經常看生物進化方面的內容，寒武紀是個轉折點，現代動物開始登場，寒武紀大爆炸后，節肢動物、軟體動物、腕足動物和環節動物等几乎所有 類群祖先在內的大量生物突然出現。在此之前，几乎沒有高等動物存在的證據。”於是兄弟倆把成果命名為“寒武紀1號”，“希望新一代計算機走上歷史舞台，在 人工智能領域開拓一個全新的局面”。

“寒武紀1號”的小名則被兄弟兩個搞笑地起名為“DianNao”。

而“寒武紀2號”——“DaDianNao”又有多項突破，性能繼續大幅度提高，與通用晶片和GPU相比，計算速度提高幾十倍，功耗只有十分之一，整體能效提高450倍。

“如果用在手機上，圖像、語音識別能力大大增強，而由於省電，電池待機時間會大大提高。”陳雲霽透露，這種晶片將用在國手機上。

“我們的夢想不是準確模擬人類的大腦，而是製造出強人工智能”，談到這個領域的下一步發展，陳雲霽的觀點是：“一旦實現人類級別的強人工智 能，憑藉機器智能和腦機介面，人類將擁有近乎無限的記憶和計算能力，甚至無限的創造力，最終使得生物的進化邁上一個新的台階，成為更高級的形態。”目前， 他們已經手開始和神經學研究者進行新的跨界合作。

學術枯燥，興趣最重要

“寒武紀”的成功讓陳雲霽和陳天石兄弟備受關注，但甘苦自知。

兄弟倆對神經網絡研究一開始只是在本身的科研任務之外進行的，沒有立項更沒有經費，后來只是有了陳天石青年科學基金的20萬元項目經費，“學術很枯燥，興趣是最大的支撐”。

“無興趣驅動無法成為學術領先者。”陳雲霽越來越體會到：如果只跟學術熱點，不可能有大成果，“我們這個領域，很難跟上國際熱點，看到別人發了文章，起碼已經是兩年前的工作了。有興趣，就能發現別人沒有認識到的方面，有眼光也才能做別人不願做的事。”

當然，陳雲霽知道，心理承受能力也非常重要，“我們年輕，即使失敗了也沒有關係”。

兄弟兩個一個14歲上大學，一個16歲上大學，“神童兄弟”一直是他們頭上的光環。對此，陳雲霽不認同：“我們對不是神童，頂多算是‘早慧少年’，3歲多時1、2、3都數不清楚。”

回想起來，陳雲霽認為自己的成長要歸功於父母的教育。父母除了看了許多關於教育的書，還有很多辦法。小時候，父母經常講科學家的故事激勵他 們，還善用“激將法”。陳雲霽記得，爸媽買回一套《十萬個為什麼》但是告訴他，你還小看不懂，大了才能看。“這讓我好奇心更強了，偷偷找出來拼命看。”

當然，父母對於兄弟的功課抓得很緊，陳雲霽小學三年級把全部小學數學課程學完，9歲時小學畢業，已經把初中數學課程學完。同時考上了南昌十中的少年班。

不過在整個中學期間，除了數學多次拿過奧賽一等，陳雲霽在班裏整體成績並不突出。打游戲、看漫也占去了不少時間，甚至不去參加月考。不過，他有自己的“科學家”夢想，知道考上好的大學是先決條件，所以在高考前真正努力了一段時間。

高考時，陳雲霽數學考得很好，但滿分150分的語文，他只考了80分。陳雲霽從自己的成長經歷體會到，少年班的孩子還是適合搞科研，尤其適合做基礎研究。

經過十多年的學術研究，陳雲霽越發覺得語文這門功課的重要：“語文小學時就不及格，后來又跳級提前上中學，語文成績一直不好。最頭疼寫作 文，這既與思維方式有關係，也與年齡小、讀少有關係。但是寫報告、與人交流都離不開文字表達。搞科學研究就更需要論文寫作的能力。”

陳雲霽現在覺得自己寫文章文筆流暢多了，所以他認為中學老師除了讓學生學寫記敘文、議論文，還應該練習明文，因為這對於今后選擇理工科的學生太重要了：“理工科學生腦子裏邏輯清晰，但還是要能完整而清晰地表達出來。”