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’。”而模擬計(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?；谧枳兇鎯?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。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了16×16矩陣的24比特定點(diǎn)數(shù)精度求逆，經(jīng)過(guò)10次迭代后，相對(duì)誤差可低至10??量級(jí)。在計(jì)算性能方面，當(dāng)求解32×32矩陣求逆問(wèn)題時(shí)，其算力已超過(guò)高端GPU的單核性能；當(dāng)問(wèn)題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時(shí)，計(jì)算吞吐量更是達(dá)到頂級(jí)數(shù)字處理器的1000倍以上。這意味著，傳統(tǒng)GPU需要一天完成的任務(wù)，這款芯片只需一分鐘就能搞定。

關(guān)于應(yīng)用前景，孫仲認(rèn)為模擬計(jì)算在未來(lái)AI領(lǐng)域?qū)⒆鳛閺?qiáng)大的補(bǔ)充，最有可能快速落地的場(chǎng)景是計(jì)算智能領(lǐng)域，如機(jī)器人和人工智能模型的訓(xùn)練。談及與現(xiàn)有計(jì)算架構(gòu)的關(guān)系，孫仲?gòu)?qiáng)調(diào)未來(lái)將是互補(bǔ)共存：CPU作為通用“總指揮”因其成熟與經(jīng)濟(jì)性難以被淘汰，GPU則專注于加速矩陣乘法計(jì)算。模擬計(jì)算芯片旨在更高效地處理AI等領(lǐng)域最耗能的矩陣逆運(yùn)算，是對(duì)現(xiàn)有算力體系的有力補(bǔ)充。