突破瓶頸！中國成功研制新型芯片模擬計算精度媲美數(shù)字系統(tǒng)

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2025-10-23 14:47:53 光明網(wǎng)

北京大學人工智能研究院孫仲研究員團隊聯(lián)合集成電路學院研究團隊，成功研制出基于阻變存儲器的高精度、可擴展模擬矩陣計算芯片，首次實現(xiàn)了在精度上可與數(shù)字計算媲美的模擬計算系統(tǒng)。該芯片在求解大規(guī)模MIMO信號檢測等關鍵科學問題時，計算吞吐量與能效較當前頂級數(shù)字處理器（GPU）提升百倍至千倍。相關論文于10月13日刊發(fā)于《自然·電子學》期刊。

對于大多數(shù)習慣了數(shù)字計算機（0和1）的公眾而言，“模擬計算”是一個既古老又新奇的概念。孫仲用生動的比喻對其進行解釋：現(xiàn)在的所有芯片都是數(shù)字計算，數(shù)據(jù)都需要先轉(zhuǎn)換成0和1的符號串。比如數(shù)字“十”，需要轉(zhuǎn)譯成“1”和“0”，計為“1010”。如果用二進制來表示“1+1=2”，則應該記作“1+1=10”。而模擬計算則無需這層“轉(zhuǎn)譯”，它是一種“類比計算”，可以直接用連續(xù)的物理量（如電壓、電流）來類比數(shù)學上的數(shù)字。比如，數(shù)學上的“十”，可以直接用十伏或十毫伏的電壓來表示。

模擬計算機在計算機發(fā)展早期曾被廣泛應用，但隨著計算任務日益復雜，其精度瓶頸凸顯，逐漸被數(shù)字計算取代。此次研究的核心正是要解決模擬計算“算不準”的痛點。

當前市面上的主流CPU和GPU都是數(shù)字芯片，并都采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，將計算和存儲功能分開，通過01數(shù)字流的編譯、計算、解碼實現(xiàn)信息計算和傳輸。基于阻變存儲器的模擬計算的優(yōu)勢之一在于取消了“將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字流”這一過程，同時不必進行“過程性數(shù)據(jù)存儲”，進而將數(shù)據(jù)計算過程與數(shù)據(jù)存儲合而為一，實現(xiàn)算力解放。

與其他“存算一體”方案對比，許多團隊集中于研究矩陣乘法（AI推理的核心），而孫仲的團隊特色在于專注于更具挑戰(zhàn)性的矩陣方程求解（AI二階訓練的核心）。矩陣求逆操作要求的計算精度極高，時間復雜度達到了立方級。模擬計算憑借物理規(guī)律直接運算的方式，具有低功耗、低延遲、高能效、高并行的天然優(yōu)勢，只要能夠不斷降低計算誤差，不斷提升計算精度，將為傳統(tǒng)GPU的算力解放帶來突破。

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