我國(guó)成功研制新型芯片模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)突破

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2025-10-23 16:49:18 長(zhǎng)江云

我國(guó)成功研制新型芯片模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)突破。近日，北京大學(xué)人工智能研究院孫仲研究員團(tuán)隊(duì)與集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)合作，成功研發(fā)了一種基于阻變存儲(chǔ)器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計(jì)算芯片。這種芯片首次實(shí)現(xiàn)了在精度上可以與數(shù)字計(jì)算相媲美的模擬計(jì)算系統(tǒng)。

該芯片在解決大規(guī)模MIMO信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題時(shí)，其計(jì)算吞吐量和能效比當(dāng)前頂級(jí)數(shù)字處理器（如GPU）提升了百倍至千倍。相關(guān)研究成果于10月13日在《自然·電子學(xué)》期刊上發(fā)表。

對(duì)于大多數(shù)習(xí)慣使用數(shù)字計(jì)算機(jī)（即基于0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)）的公眾來(lái)說(shuō)，“模擬計(jì)算”是一個(gè)既古老又新奇的概念。孫仲用生動(dòng)的比喻解釋了這一概念：“現(xiàn)在的所有芯片都是數(shù)字計(jì)算，數(shù)據(jù)都需要先轉(zhuǎn)換成0和1的符號(hào)串。比如數(shù)字‘十’，需要轉(zhuǎn)譯成‘1’和‘0’，計(jì)為‘1010’?！倍M計(jì)算則不需要這層“轉(zhuǎn)譯”，它直接利用連續(xù)的物理量（如電壓、電流）來(lái)類(lèi)比數(shù)學(xué)上的數(shù)值。例如，數(shù)學(xué)上的“十”可以直接用十伏或十毫伏的電壓表示。

模擬計(jì)算機(jī)曾在上世紀(jì)30到60年代被廣泛應(yīng)用，但隨著計(jì)算任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜，其精度瓶頸逐漸顯現(xiàn)，最終被數(shù)字計(jì)算取代。此次研究的核心正是要解決模擬計(jì)算中“算不準(zhǔn)”的問(wèn)題。

目前市面上主流的CPU和GPU都是數(shù)字芯片，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，將計(jì)算和存儲(chǔ)功能分開(kāi)，通過(guò)01數(shù)字流的編譯、計(jì)算和解碼實(shí)現(xiàn)信息處理和傳輸。基于阻變存儲(chǔ)器的模擬計(jì)算取消了“將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字流”的過(guò)程，也不必進(jìn)行“過(guò)程性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”，從而將數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)合為一體，大大解放了算力。

與其他“存算一體”方案相比，孫仲團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于更具挑戰(zhàn)性的矩陣方程求解（AI二階訓(xùn)練的核心）。矩陣求逆操作要求極高的計(jì)算精度，時(shí)間復(fù)雜度達(dá)到了立方級(jí)。模擬計(jì)算憑借物理規(guī)律直接運(yùn)算的方式，具有低功耗、低延遲、高能效和高并行的優(yōu)勢(shì)。只要能夠不斷降低計(jì)算誤差，提升計(jì)算精度，模擬計(jì)算將為傳統(tǒng)GPU帶來(lái)顯著的算力突破。

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