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文 ｜ 《中国科学报》 记者 胡珉琦
蔡少伟 软件所供图
“我不怕坐冷板凳，怕的是连板凳都没有了。”这是国内约束求解研究人员的一句自嘲。求解器研究者、中科院软件研究所（以下简称软件所）研究员蔡少伟第一次感觉到自己开始“出圈”是在2020年——不是因为他的团队频频在约束求解领域布尔可满足性问题（SAT）国际竞赛中拿到重量级冠军，而是因为华为芯片断供，“卡脖子”问题倒逼攻坚。芯片领域的一些会议、项目咨询纷纷向他发出邀请。但每一次他都会诚实地告诉对方，他的研究领域距解决目前的工业挑战还有很长一段距离。芯片制造过程是一个漫长的链条，越靠近链条前端，问题越基础、越隐蔽。2022年8月，美国宣布对GAAFET（全栅场效应晶体管）架构集成电路所必需的EDA软件实施出口管制，引发舆论关注。因为作为重要工业软件之一的EDA软件，掌握着芯片设计的命门。其实，不仅是芯片，在操作系统、航空航天、能源、制造业等对精确度要求很高的核心工业领域，工业软件充当“大脑”的角色，而工业软件的核心就是各种求解器，它好比引擎之于汽车一样重要。从本质上说，约束求解是数理逻辑的根本性问题，而数理逻辑又是整座数学大厦的根基，所以，约束求解研究者就是一群守在科学基座上的人。可在国内，从约束求解器到工业软件，都严重依赖进口。直到近两年，华为、阿里等企业才开始布局求解器研究。2022年4至6月，蔡少伟组织举办了36课时的“约束求解基础与应用”训练营，吸引了来自高校和企业的200多人报名，仅华为就来了近30人。2012年，当时在北京大学攻读博士的蔡少伟参加了SAT国际竞赛，拿到了属于中国人的首个冠军，且把第二名远远甩在身后。在欧美学者眼中，这无异于“横空出世”，可到了国内，却悄无声息。因为那时，国内专门从事约束求解研究的学者一只手就数得过来。这个底层的、隐性的基础科研问题，在国内天生与热点绝缘，这就意味着，科研人员申请相关项目、发表论文都十分不易。过去十几年里，也有来自北京航空航天大学、西南交通大学、华中科技大学、东华大学的同行者，但来来往往，最终只有蔡少伟坚持了下来。约束求解的一个核心问题是SAT，其本质是探求布尔变元之间的逻辑推理关系是否成立。蔡少伟经常举一个例子——甲、乙、丙想参会，甲说：乙参会我就参会，乙说：丙参会我就参会，而丙说：甲参会我就不参会，那么能不能同时满足甲乙丙的参会需求？这就是一个典型的SAT问题，求解的答案是——他们的需求不可同时满足。但是，在现实工业领域，命题要复杂得多，无法通过人脑来判定逻辑推理关系是否成立。随着布尔变元和约束的条件越来越多，SAT的求解就必须借助算法来进行推理与计算。蔡少伟说，约束求解是一个古老的命题，可以追溯到图灵时期。它发展至今，传统的、简单的算法已经被许多外国学者研究过，剩下的全是“硬骨头”。“它就像百米赛跑，100米谁都能跑，但要想打破世界纪录就非常困难了。”这意味着，研究者必须拿出更优的算法，从而提升求解效率。从事约束求解研究，要求兼具很强的数理逻辑和编程能力。蔡少伟自认并不是天才型选手，两方面的表现都不惊艳，但胜在均衡且扎实。2006年，在华南理工大学计算机科学与技术专业读大二的他，受到班主任王家兵的启蒙，开始接触约束求解问题。两年后，他直博北大，正式确立了自己的研究领域，他也是同届学生中唯一选择这个方向的。当时，同伴们都在拼命做研究、发论文，蔡少伟却不疾不徐，认认真真学好每一门课。而且高中时曾立志成为作家的他，从不间断阅读。蔡少伟有个习惯，只要感觉在学业上有所进步，他就奖励自己一本喜欢的书，宿舍书柜里很快便积累了各种书——文学、数学、哲学……什么类型都有。在SAT中，随机搜索是一种主要方法，而它面临的瓶颈就是如何克服搜索过程中的循环现象。蔡少伟觉得，采用传统数理逻辑的分析思维怎么也走不通。一次，他翻看一本社会学通识书籍《社会学与生活》，里面谈到了群体环境对个体是如何产生影响的。当时，他的大脑就像过电一般，顿时联想到了搜索变量与环境信息之间的关系问题。之后几天，蔡少伟不断琢磨两者的联系，却总是答案呼之欲出，只欠“东风”。不久，法国华人教授李初民来北大作了一个报告，席间蔡少伟突然看到报告PPT上的几个单词，那似乎是来提醒他的，顿时那个日夜思索的方法就“自己冒了出来”。“世界突然安静了，只有笔尖和纸张摩擦的声音，我飞快地写着，很怕是个幻觉，会马上消失。”蔡少伟记录下了当时的灵光一闪。正是这一浪漫瞬间，帮助他交出了博士阶段最满意的作品——格局检测策略。通过避免局部结构循环减少无用搜索，大大提高了求解效率。2011年，他的这一成果登上了《人工智能期刊》，并首次出现在美国举行的SAT会议上。作为全场唯一的中国人，大会主席主动和他打招呼。在后来的其他会议上，他也感受到了多位专家的热情。“因为你生了一个金蛋，大家就都对这只母鸡产生兴趣了。”蔡少伟打趣道。但他并未在成果上过多停留，开始反思孕育成果的过程，在科学方法以外，直觉、悟性都在潜移默化影响着他，“这是很根本性的东西”。除了随机搜索外，SAT还有一种基于系统搜索和证明的方法，这也是最主流的SAT方法。然而，蔡少伟很快发现，无论哪种方法，想要改进它们，都存在边际效应递减的问题，且越坚持越容易走入死胡同。这也反映了科学研究中的轨迹依赖。“必须跳出旧有框架，远观它、质疑它、批判它。”蔡少伟是这么想的，也是这么做的。早在1997年，国际先进人工智能协会主席Bart Selman就指出过随机搜索和系统搜索各自的优缺点，在他提出的命题逻辑推理与搜索的十大挑战中，第七个挑战就是结合两种方法的优势设计出更好的方法。博士阶段，蔡少伟曾花了半年时间思考这一问题，想累了就去看书，转换思维和视角，希望有所启发。“回想起那时候，我还挺幸福的，虽然研究上没什么突破，但我始终在探索一个自己认为值得的问题。”而接下来的“剧情”并没有发生预期的转折，事实上，蔡少伟选择了放弃。“我可以在原方法上做一些改进，不断累积，也能写出几篇不错的论文，但结果可能是我的论文越写越窄，这就跟我最初跳出原有方法路径的想法南辕北辙了。”在他看来，这样的研究一点也不酷。因此，与其说是放弃，不如说是搁置。好的研究需要酝酿。2012年，蔡少伟赴澳大利亚格里菲斯大学攻读第二个博士学位。但现实与理想的差距让他过上了被放养的生活。其间，他把车库改造成了实验室，独自一人在SAT方向上扎下根来。“要说我个人经历中唯一的遗憾，可能就是我从来没有在一位大师手下贴身学习、成长过。”蔡少伟形容自己就是个“土娃”，只能靠自己摸爬滚打，“我也希望‘高山仰止’，但没机会”。不过，事物都有两面性。没有“高山”压顶，给了蔡少伟最大程度的自由，也练就了他对一项研究的判断力和掌控力。一个人能活成一支队伍，那么未来当队伍真正出现时，他就有足够的信心和魄力带领好这支队伍。2014年，蔡少伟回国加盟软件所，正式在研究所开辟了约束求解方向，并在4年后重启了对那个十大挑战之一的难题的探索。2021年，他带领学生提出了基于CDCL求解结合局部搜索采样的混合求解方法，终于让系统搜索与随机搜索完美合流。这一成果拿下了SAT 2021最佳论文奖。这是SAT会议自1996年设立以来，中国论文第一次获奖。“我们做科研，无非是两个方向，要么改变对世界的认知，要么改变这个世界的现状。” 近年来，除了SAT外，蔡少伟开始着眼于SMT，该问题是限定背景理论的一阶逻辑公式判定问题。相较于前者，SMT求解更前沿也更具挑战性，在国内几乎无人问津。事实上，尽管过去的2021—2022年，蔡少伟团队在SAT的一系列重要国际竞赛中一马当先，但真正让他兴奋的是团队设计了首个支持线性整数算术的SMT随机搜索算法LS-LIA。基于该方法，团队大幅度改进了著名求解器Z3，新求解器Z3++击败了来自美国斯坦福大学和微软研究院的顶级团队，在近两年SMT国际竞赛中都获得了金牌，这也是国内首个冠军。张昕荻是蔡少伟团队SAT 2021最佳论文的另一位作者，也是这些年竞赛团队的主要成员。“跟着我，发论文可能比较困难，到时候可别羡慕其他同学。”2017年，还是吉林大学大三学生的张昕荻第一次见到蔡少伟，就被打了预防针。张昕荻的同班同学大部分选择了一些与人工智能相关的热门方向，可他却避开人群，甚至为此放弃了去清华大学深造的机会。之后，从研究生正式入学到发表他的第一篇SAT论文，整整过了4年。要不是转博，都赶不上顺利毕业。同学、朋友圈里，一年发几篇好文章的年轻人大有人在，张昕荻承认，不羡慕是假的。“但导师总是告诉我们，有些难题，在国内没有人能帮我们，只能靠我们自己一点一点啃下来 。”要么不做，要做就要一鸣惊人。这样的张昕荻多像十几年前那个独自亮相SAT会议的蔡少伟。现在看来，在蔡少伟身上，孤独更像是一种祝福，不过他并不想把这种祝福传递给学生。“我曾经一个人走了很久，其间踩过多少坑只有自己知道。我只是在某些交叉路口很幸运地走对了，或者在某些重要节点得到了一些机遇。”蔡少伟相信，单打独斗是走不远的。“特别是当国内的这一研究力量还很弱小时，更需要年轻人保持队形，集智聚众攻关。这时候，走一个骨干，一个方向可能就断了。”这也是他现阶段的最大隐忧。因此，出于对这群少数者的保护和“偏爱”，软件所一直以来都在帮助蔡少伟课题组争取最有竞争力的条件，好让他们的生活没有后顾之忧。至于蔡少伟自己，至今无房无车。妻子偶尔也会因此向他提出“抗议”，“但我只要有足够的时间陪她散散步，思想工作一准成功”。新的一年，蔡少伟点赞了一条微博：生命的意义本不在向外的寻取，而在向内的建立——来自史铁生的《病隙碎笔》。对蔡少伟而言，他的内在世界早已落成，让它变得坚固且恒久的，是低音炮里流淌的音乐，是鲁迅、罗素、茨威格笔下的文字，是让人平心静气的一盏清茶，是偶尔沉醉的一杯小酒……“我的世界很丰富。”蔡少伟不止一次提到。孤独，也许只是别人眼中的样子 。《中国科学报》 (2023-01-19 第4版 人物)编辑 | 方圆
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