11月4日，華中科技大學(xué)傳來好消息，在今年EDA（電子設(shè)計自動化）領(lǐng)域的國際會議ICCAD 2021（計算機(jī)輔助設(shè)計國際會議）上，該校計算機(jī)學(xué)院人工智能與優(yōu)化研究所所長呂志鵬帶領(lǐng)一支平均年齡在24歲的年輕團(tuán)隊，在CAD Contest布局布線（Routing with Cell Movement Advanced）算法競賽中奪得全球第一。
華中科大這支年輕的團(tuán)隊，不僅首次參賽即奪冠，該團(tuán)隊所設(shè)計的算法在所有測試算例上均達(dá)到了競賽中的最優(yōu)結(jié)果。
競賽獲獎證書：布局布線算法競賽第一名
致力解決芯片行業(yè)最棘手問題
EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)是指包括電路系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、設(shè)計綜合、PCB版圖設(shè)計和制版的一整套自動化流程，是電子設(shè)計的基石產(chǎn)業(yè)，被譽(yù)為“芯片之母”。從市場規(guī)模看，百億美金的EDA市場構(gòu)筑了整個電子產(chǎn)業(yè)的根基，支撐起萬億美金的電子產(chǎn)業(yè)。“誰掌握了EDA，誰就有了芯片領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。”
ICCAD會議始于1980年，是EDA領(lǐng)域歷史最悠久的頂級學(xué)術(shù)會議之一。其中，CAD Contest的布局布線算法競賽是歷史最悠久、最權(quán)威且影響力最廣的會議標(biāo)志性事件之一，長期以來受到國際學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
呂志鵬介紹，該競賽將學(xué)術(shù)界與工業(yè)界聯(lián)結(jié)，由國際業(yè)界頂尖集成電路設(shè)計公司直接出題，瞄準(zhǔn)當(dāng)前集成電路工業(yè)界所面臨的亟需解決的、最困難的實際問題。本屆競賽的布局布線問題作為EDA芯片后端物理設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，直接影響芯片的功耗、面積、時延等各項性能指標(biāo)。
本次競賽的3D芯片布局布線示意圖
從百余支全球頂尖團(tuán)隊中脫穎而出
本屆CAD Contest算法競賽共有來自12個國家/地區(qū)的137支隊伍參與，包括眾多國內(nèi)外知名高校與研究機(jī)構(gòu)，如加州大學(xué)伯克利分校、東京大學(xué)、臺灣大學(xué)、香港中文大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等。
呂志鵬介紹，EDA作為我國“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)之一，難點主要在于算法，其核心問題在算法上通常具有極高的計算復(fù)雜度，即為NP難問題。本次競賽的布局布線問題，涉及了圖著色、集合劃分、二次指派等眾多經(jīng)典的NP難問題，是計算復(fù)雜性理論研究與實際工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的典型場景。
其中，布局過程需將一系列電路單元放置于給定的長方體空間中，而布線過程則需將屬于同一個網(wǎng)的單元引腳用導(dǎo)線連接起來。參賽算法需要考慮空間容量、電壓區(qū)、最小布線層、金屬層布線方向等眾多真實約束，確定每個單元在芯片內(nèi)的位置，并同時為每個網(wǎng)規(guī)劃無短路、無斷路的信號傳輸路徑，使得導(dǎo)線的加權(quán)總長度最短。
芯片設(shè)計的復(fù)雜度
鼓勵年輕團(tuán)隊勇于解決世界難題
華中科大參賽團(tuán)隊非常年輕，隊員謝振軒、梁鏡湖均生于99年，羅燦輝生于98年。“能得到這個成績非常不容易。往年我們沒有過多關(guān)注芯片設(shè)計領(lǐng)域，都不知道有這項比賽。這次和我們一起比拼的是國內(nèi)外頂尖團(tuán)隊，他們中的大多數(shù)是該賽事的‘老將’，經(jīng)驗和積累都豐富得多。”研二學(xué)生羅燦輝說，在備賽期間，為了測試出最優(yōu)方案，團(tuán)隊成員上百次測試，在每一次試錯中前進(jìn)一小步。
“年輕”不僅在于他們的年齡上，導(dǎo)師呂志鵬關(guān)注芯片領(lǐng)域也不到三年。在此之前，呂志鵬主攻算法研究，成果多應(yīng)用于云計算、先進(jìn)制造、航空航天、5G通信等領(lǐng)域。2018年，他帶領(lǐng)實驗室里一群計算機(jī)專業(yè)出身、毫無任何芯片背景的“熱心群眾”，跳進(jìn)了芯片主戰(zhàn)場。
年輕團(tuán)隊首次參賽即奪冠，背后是實驗室團(tuán)隊40余年的積累。呂志鵬介紹，從實驗室創(chuàng)始人黃文奇教授開始，就格外注重對學(xué)生在精神和專業(yè)上的引導(dǎo)。“我們實驗室的傳統(tǒng)是，要勇敢面對當(dāng)前世界上重大的大問題。不要做小問題，不要跟著外國人屁股后面做修修改改的問題。”
從成立至今，實驗室一直聚焦于NP難問題的求解算法與工業(yè)應(yīng)用研究，并多次獲得國際算法競賽全球前三名。據(jù)介紹，早在1979年，黃文奇教授便在國際上首次提出求解NP難度問題的擬物擬人方法，為NP難問題的現(xiàn)實求解開辟了一條全新的技術(shù)路線，并于1996年參加第三屆SAT問題快速算法國際競賽并獲得第一名。
“我們深知，要想把科研成果寫在祖國大地上，絕不能停留在學(xué)術(shù)研究的表面，一定要結(jié)合實際應(yīng)用并落地。我們希望借助研究所在NP難問題求解算法上數(shù)十年的積累與傳承，一方面賦能中國企業(yè)解決EDA‘卡脖子’問題，另一方面為國家培養(yǎng)更多掌握核心技術(shù)的人才。”呂志鵬說。（記者陳曉彤 通訊員趙娜）
