他是芯片領(lǐng)域世界杰出科學(xué)家，也是將科研與教學(xué)深度結(jié)合的教育探索者。
2012年，他站上北京大學(xué)的講臺，致力于培養(yǎng)理論與實踐兼美、服務(wù)于國家戰(zhàn)略的領(lǐng)軍人才。2016年，他組建了北大首支超算隊，并帶領(lǐng)其連續(xù)兩年獲得ASC世界大學(xué)生超算競賽冠軍。2024年，他榮獲北京大學(xué)教學(xué)卓越獎。他是北京大學(xué)集成電路學(xué)院教授梁云。
讓我們走近聆聽，這十余年的燕園歲月里，梁云在教學(xué)與科研之間共振的嘹闊金聲。
“以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動科研”
2012年，梁云加入北京大學(xué)。
彼時，世界領(lǐng)域芯片風(fēng)云四起。中國芯片產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了四五十年的波折后，在世紀(jì)之交實現(xiàn)了自主芯片落地生根，一批中堅力量正在為中國芯片產(chǎn)業(yè)的騰飛奮楫。
“剛開始教書的時候，我相對來說重科研一些。”梁云說。身處北大，梁云敏銳地察覺到國內(nèi)科研水平與國際一流高校之間存在一定差距，如何縮小這段差距成為亟待攻克的首要難題。近十年，他深耕細(xì)作，在芯片設(shè)計自動化軟件（Electronic Design Automation,EDA）領(lǐng)域發(fā)表頂級論文100余篇，獲得國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金，獲評ACM杰出科學(xué)家，梁云已在世界芯片技術(shù)的前沿領(lǐng)域有一席之地。
當(dāng)梁云回到講臺上，與學(xué)生一同回溯EDA領(lǐng)域的潮汐時，豁然意識到芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對人才的依賴。要想打破芯片行業(yè)“卡脖子”的僵局，唯有培育出眾多高端人才，為中國芯片產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展強基賦能。
“隨著教學(xué)經(jīng)驗的增長，我越來越覺得最好的科研應(yīng)該是能夠?qū)戇M(jìn)教科書的科研。”梁云反思道，“這些科研基礎(chǔ)且具有普適性，是最基本的方法論。這種科研成果是可以直接搬到課堂上的。”
在教學(xué)過程中，“以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動科研”的教學(xué)理念在梁云心中生根發(fā)芽，枝葉漸豐。例如，在2022年開設(shè)課程中，他不斷將課題組的最新科研進(jìn)展融入課程，動態(tài)更新作業(yè)和項目，確保課程與行業(yè)發(fā)展同步。
集成電路學(xué)院2022級直博生肖有為參與了“高層次芯片設(shè)計”的籌備與開設(shè)，并擔(dān)任助教。接受采訪時，肖有為說，“這種教學(xué)模式不僅讓學(xué)生接觸到前沿技術(shù)，還為吸引很多學(xué)生在本科期間開始科研，形成了‘教學(xué)—科研—實踐’的良性循環(huán)。”
在教學(xué)方法上，梁云注重以學(xué)生為中心，通過期末作業(yè)讓學(xué)生解決開放性問題，鍛煉其深入分析與實踐操作能力。從計算機領(lǐng)域的“軟件課程”，到集成電路領(lǐng)域的“硬件課程”，學(xué)生不僅能學(xué)到經(jīng)典理論知識，還能了解當(dāng)前領(lǐng)域面臨和嘗試解決的問題。
信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2022級本科生孫逸天對梁云的教學(xué)特色深有體會。“比如，在講授Hardware for machine learning時，梁老師首先介紹了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Monica S.Lam在1987提出的結(jié)構(gòu)Warp Architecture，再介紹了梁老師自己的課題組在2021年提出的TensorLib。”前者是通用處理器的關(guān)鍵組成部分，能顯著提高計算并行度和效率。但推動計算架構(gòu)成為具體的芯片結(jié)構(gòu)，仍需要工程師的設(shè)計。而后者正是為了優(yōu)化這一環(huán)節(jié)而生，只需輸入計算表達(dá)式和期望的數(shù)據(jù)流動方向，高質(zhì)量的芯片設(shè)計就能夠自動生成。
“在那節(jié)課上，我理解了科研問題的重心是如何一步步轉(zhuǎn)移的，并且對于同一個問題，科研的視角可以是多樣的。”孫逸天說，“我在梁老師的課堂上感受到了最前沿的科研。”
從“聽懂”到“會做”
在信息科學(xué)領(lǐng)域，實踐操作至關(guān)重要，學(xué)生需要具備較強的軟硬件應(yīng)用能力和設(shè)計能力。然而，一聽就會，一做就“廢”，是學(xué)生們常常陷入的困境。
“有些學(xué)生學(xué)完理論，覺得自己理解了某個算法，但是等到真正著手編程的時候，他們會發(fā)現(xiàn)想的跟做的還是有差距。”梁云說，理想與現(xiàn)實的落差，實際上表明學(xué)生對知識的理解并不到位。以此為出發(fā)點，梁云在課程設(shè)置上“對癥下藥”，設(shè)計出一系列讓學(xué)生受益匪淺的教學(xué)環(huán)節(jié)，力求解決學(xué)生在實際編程的過程中細(xì)節(jié)“卡殼”的問題。
一方面，他大膽開設(shè)全新課程。例如，他的“高層次的芯片設(shè)計”課程在國內(nèi)屬于首創(chuàng)。另一方面，他根據(jù)學(xué)生群體的共性特點，根據(jù)豐富的學(xué)術(shù)與教學(xué)經(jīng)驗，制定科學(xué)的培養(yǎng)方法。
“我們會講授一些最新的前沿成果，”梁云說，“但我們不是直接介紹前沿論文，而是更多地去提煉共性的基礎(chǔ)，或者方法和理論。因為我的這些課程實際上都是面向本科生的課程。把理論講完了之后，課程內(nèi)容才會延展到前沿的技術(shù)。”梁云教授解釋道，作為本科生，要扎實學(xué)好基礎(chǔ)性的方法論，才能投入前沿研究。
“本科生更多是解決問題，研究生更多是發(fā)現(xiàn)問題。”
在高度重視基礎(chǔ)理論的前提下，梁云在教學(xué)設(shè)計中不斷調(diào)試，力圖達(dá)到理論課程與實踐課程的平衡。每講授一個topic，在常規(guī)的理論講解課之后，梁云都會配套安排專門的lab（實踐課），要求學(xué)生通過動手寫程序或運用開源及商用軟件進(jìn)行分析。
“梁老師不僅強調(diào)理論傳授，還設(shè)計了豐富的實踐環(huán)節(jié)。”肖有為回憶道，助教會負(fù)責(zé)設(shè)計實踐課上的練習(xí)，使實踐課與對應(yīng)理論課內(nèi)容緊密結(jié)合，既包括基礎(chǔ)鞏固，也涵蓋拓展與挑戰(zhàn)。在輔助教學(xué)的過程中，他們受到梁云教授“理論與實踐相結(jié)合”的教學(xué)方法的耳濡目染，專業(yè)能力和教學(xué)水平都得到大大提升。
如今，針對一個topic，梁云通常會將理論課與實踐課的比例控制在3:1到4:1之間。這一比例根據(jù)學(xué)生的實際反饋來確定，以滿足大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。對于部分需要更多實踐時間的學(xué)生，他則會鼓勵他們在課后自主學(xué)習(xí)。
實踐與理論雙管齊下、相輔相成，多年教學(xué)以來，梁云有效地激發(fā)了學(xué)生對信息科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣與探索熱情。
梁云對教學(xué)的“上心”，也體現(xiàn)在課堂之外與學(xué)生相處的點滴之中。孫逸天提到：“梁老師對同學(xué)們很友善，沒什么架子。”此外，孫逸天還補充道，他發(fā)現(xiàn)梁老師溝通的方式非常簡潔高效，討論問題都是開門見山，直擊重點。
“有時候我為了找梁老師交流，會提前準(zhǔn)備措辭。但結(jié)果通常是，我準(zhǔn)備的措辭還沒用完，問題就已經(jīng)討論完了。”
以新課，傳新知
梁云是學(xué)生科研探索道路的引路人。而梁云自己，也從未停下探索的腳步。
從“程序設(shè)計實習(xí)”和“編譯原理”，到“高層次的芯片設(shè)計”和“計算系統(tǒng)的建構(gòu)、分析與優(yōu)化”，自2012年秋加入北大以來，梁云不斷開換新的課程。“我覺得開設(shè)一門課程之后，第一年到第二年是與之磨合的過程，后續(xù)三四年的教學(xué)比較成熟、穩(wěn)定，再往后，可能就需要一些突破，一些改進(jìn)。”梁云說。
“我希望我能夠堅持下去，大概每七八年的間隔，就開設(shè)一門新的課程。”
同一學(xué)科需要兼?zhèn)鋬深愓n程：一類是長期開設(shè)的經(jīng)典課程，使學(xué)生對基礎(chǔ)的理解不斷深入；另一類則與最新研究成果緊密接軌，此類課程需不斷推陳出新，與時俱進(jìn)。
“在信息領(lǐng)域，技術(shù)迭代速度極快，數(shù)年前的技術(shù)對當(dāng)下的參考價值有限。只有不斷更新課程內(nèi)容，才能讓學(xué)生接觸到最前沿的知識。”梁云表示。
當(dāng)被問及在教學(xué)的探索中是否遇到挑戰(zhàn)時，梁云坦率地回答：“對一門新課，制作課件、安排lab，實際上是一個既耗時又費力的過程，所以難免會出錯。”梁云坦言，“但我認(rèn)為，如果被學(xué)生發(fā)現(xiàn)了錯誤，沒有什么可尷尬的。因為這首先說明學(xué)生將知識學(xué)明白了，學(xué)生的建議都會幫助我完善課件。”
在超算隊，認(rèn)識自己的無限可能
“世界級榮譽”“衛(wèi)冕冠軍”，從2016年成立至今，梁云組織創(chuàng)建的超算隊已然成為ASC世界大學(xué)生超級計算機競賽中的一顆閃耀的明星。
超級計算機競賽考驗的是在有限的條件下盡可能優(yōu)化算法、提升性能。“當(dāng)時我?guī)Я藥讉€非常優(yōu)秀的本科生，他們有著很強的參與超算競賽的意愿，希望我能夠組建參與超算競賽的隊伍。”關(guān)于超算隊的搭建，梁云回憶道。
然而，在那之前，北大沒有組織參與過超算競賽。
“我就跟這些學(xué)生商量，告訴他們我們一旦去參加這個比賽，就得全身心地去投入。如果僅僅報了個名，但是不去投入的話，其實沒有什么意義。”梁云說。他組建了北大首支超算隊，帶領(lǐng)隊伍逐步摸索、勇闖賽場。
如今，梁云和北京大學(xué)計算中心的樊春老師共同擔(dān)任北大超算隊教練。從成立到今天，在全球300余支高校代表隊的激烈競爭中，面對清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、臺灣清華大學(xué)、美國東北大學(xué)、美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校等老牌強隊，北大超算隊沉著應(yīng)戰(zhàn)，在2020年獲得SCC世界大學(xué)生超算競賽亞軍，在2023到2024連續(xù)兩年獲ASC世界大學(xué)生超算競賽冠軍。多年來，這支隊伍從無到有，逐步成長，走出了一條不平凡的發(fā)展之路。
在被問及建立超算隊的動力時，梁云道：“我們國內(nèi)的學(xué)生，理論基礎(chǔ)學(xué)得扎實，但實踐能力還需提升，超算競賽是提升學(xué)生在基礎(chǔ)軟硬件方面實踐能力的好機會。”自己動手搭建和操作硬件平臺、深入了解底層硬件等等，都是考察學(xué)生實踐能力的一環(huán)。梁云還補充道：“很多學(xué)生在比賽期間，要去聽現(xiàn)場的技術(shù)分享，回來以后寫份報告。有時候還會有人過來英文采訪他們，這是很綜合的能力考驗。”
在輝煌的成績背后，梁云坦白，建立超算隊初期的困難超出他的想象。經(jīng)驗不足、經(jīng)費不足，困難考驗著梁云和他的隊員們，卻未等到他們放棄。終于，在五六年的堅持之后，北大超算隊終于迎來成績爆發(fā)。
拿到成績是很好的事，成績同時也“激發(fā)了更多同學(xué)對超算的興趣”，梁云說。
“我覺得非常欣慰的一點是，我看到了越來越多的學(xué)生，他們認(rèn)識到了這個領(lǐng)域的重要性。”
用心用力，為國育才
多年教學(xué)耕耘，梁云要培養(yǎng)的，究竟是什么樣的人才？對于這個問題，梁云有明確的回答。
“能解決黨和國家關(guān)心的關(guān)鍵性重大問題的學(xué)生；能做出創(chuàng)新性的、世界一流科研成果的學(xué)生。”
EDA是芯片和整個信息產(chǎn)業(yè)的共性基礎(chǔ)技術(shù)。然而，美國三大EDA公司市場占壟斷地位，芯片制造領(lǐng)域被《芯片法案》徹底撕破的“卡脖子”的現(xiàn)實，急需中國奮力掙脫。
EDA領(lǐng)域缺人，缺技術(shù)。而梁云所做的，正是用自己的科研和經(jīng)驗培育人，培植技術(shù)。肖有為回憶：“梁老師在我的科研道路上起到了關(guān)鍵作用。不管是選擇研究方向，還是檢索文獻(xiàn)資源，梁老師都給予了我細(xì)致入微的指導(dǎo)。特別是在論文撰寫階段，他幫助我梳理邏輯、優(yōu)化表達(dá)，可以說極大提升了我的論文質(zhì)量。”
在肖有為的科研之路上，梁云始終保持關(guān)注，每周跟進(jìn)進(jìn)展，及時解答困惑并提供改進(jìn)意見。肖有為說，梁云教授的教導(dǎo)，既幫助他提升了科研能力，也讓他學(xué)會了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。
“我的親身體會是，最近這幾年，我們在芯片設(shè)計自動化領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。”梁云說，自己剛回國的時候，中國在這個領(lǐng)域頂級會議上發(fā)表的論文數(shù)只是個位數(shù)。但是十多年過去后，在這幾年的會議上，中國的論文數(shù)量已經(jīng)排名世界第一名。“國家重視，學(xué)校支持，我們的發(fā)展已經(jīng)很快了”梁云的神情堅定而自信，“以前這方面的人才不夠多，沒有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。但現(xiàn)在我們正在積極發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，也在培養(yǎng)越來越多的人才，科技創(chuàng)新會不斷涌現(xiàn)。”
自教學(xué)以來，梁云已培養(yǎng)近百名高性能計算、EDA方面優(yōu)秀畢業(yè)學(xué)生。指導(dǎo)的博士生多次獲得學(xué)校頒發(fā)的獎學(xué)金（校長獎學(xué)金、國家獎學(xué)金、華為獎學(xué)金等）和信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院“學(xué)術(shù)十杰”等稱號。其中，指導(dǎo)的2022屆博士生盧麗強獲北京大學(xué)/CCF體系結(jié)構(gòu)優(yōu)秀博士論文，并成為浙江大學(xué)信息科學(xué)領(lǐng)域首位以應(yīng)屆身份入職的助理教授/百人計劃研究員；2024屆博士生鄭思澤獲北京大學(xué)優(yōu)博，北京市優(yōu)秀畢業(yè)生。指導(dǎo)十余名本科生發(fā)表高水平論文，2024屆本科生周可行以第一作者在第56屆微架構(gòu)國際研討會發(fā)表論文，這是中國高校首次本科生在該芯片架構(gòu)頂級會議發(fā)表論文。
在講臺與實驗室耕耘、開拓，讓教學(xué)科研深度融合、使理論實踐并添光輝。來到北大十多年的歲月里，梁云心無旁騖，為這如今生機勃勃的領(lǐng)域增添籽實，助力其在中國的土地上成為一片沃野。以梁云為代表的北大人，正在這個生機勃勃的園子里拓疆立業(yè)，寫下新時代中國科技自立自強的北大篇章。
