高精度可擴(kuò)展模擬矩陣計算芯片問世開啟算力新時代

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2025-10-14 09:15:46 光明網(wǎng)

我國科學(xué)家在新型計算架構(gòu)上取得重大突破，北京大學(xué)人工智能研究院孫仲團(tuán)隊與集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊合作，成功研制出基于阻變存儲器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計算芯片。該芯片首次將模擬計算的精度提升至24位定點(diǎn)精度，在求解大規(guī)模MIMO信號檢測等關(guān)鍵科學(xué)問題時，計算吞吐量與能效較當(dāng)前頂級數(shù)字處理器提升百倍至千倍。這一成果標(biāo)志著我國在后摩爾時代計算范式變革中取得重大進(jìn)展，為應(yīng)對人工智能與6G通信等領(lǐng)域的算力挑戰(zhàn)開辟了新路徑，相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》。

孫仲表示，模擬計算是早期計算機(jī)的核心技術(shù)，通過物理定律直接運(yùn)算，具有高并行、低延時、低功耗的優(yōu)勢。然而，由于傳統(tǒng)模擬計算精度低、難擴(kuò)展，逐漸被高精度、可編程的數(shù)字計算取代。如何讓模擬計算兼具高精度與可擴(kuò)展性，成為困擾全球科學(xué)界的難題。數(shù)字計算雖精度高，但存在馮·諾依曼架構(gòu)的“內(nèi)存墻”問題，已成為人工智能、科學(xué)計算和6G通信發(fā)展的瓶頸。

面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊選擇了一條融合創(chuàng)新的道路，通過新型信息器件、原創(chuàng)電路和經(jīng)典算法的協(xié)同設(shè)計，首次實(shí)現(xiàn)了在精度上可與數(shù)字計算媲美的模擬計算系統(tǒng)，將傳統(tǒng)模擬計算的精度提升了五個數(shù)量級。團(tuán)隊還提出了塊矩陣模擬計算方法，像拼圖一樣將大問題分解到多個芯片上協(xié)同解決，成功突破了模擬計算的規(guī)模限制，實(shí)驗實(shí)現(xiàn)了16×16矩陣方程的求解。

通過嚴(yán)格的實(shí)驗測試和基準(zhǔn)對比，該技術(shù)展現(xiàn)出卓越性能。在求解32×32矩陣求逆問題時，該方案算力已超越高端GPU的單核。當(dāng)問題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時，計算吞吐量可達(dá)頂級數(shù)字處理器的1000倍以上。此外，該技術(shù)在相同精度下，能效比高出傳統(tǒng)數(shù)字處理器100倍以上，為算力中心能耗問題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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