在數(shù)字計(jì)算主導(dǎo)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域半個(gè)多世紀(jì)后，我國(guó)科學(xué)家在新型計(jì)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(duì)主導(dǎo)，並聯(lián)合集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出基於阻變存儲(chǔ)器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計(jì)算芯片，首次將模擬計(jì)算的精度提升至24位定點(diǎn)精度。相關(guān)性能評(píng)估表明，該芯片在求解大規(guī)模MIMO信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題時(shí)，計(jì)算吞吐量與能效較當(dāng)前頂級(jí)數(shù)字處理器（如圖形處理器GPU）提升百倍至千倍。這一成果標(biāo)志著我國(guó)突破模擬計(jì)算世紀(jì)難題，在后摩爾時(shí)代計(jì)算范式變革中取得重大突破，為應(yīng)對(duì)人工智能與6G通信等領(lǐng)域的算力挑戰(zhàn)開(kāi)辟了全新路徑，相關(guān)成果13日發(fā)表於國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》。

論文通訊作者孫仲告訴記者，模擬計(jì)算是早期計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)，通過(guò)物理定律直接運(yùn)算，具有高並行、低延時(shí)、低功耗的先天優(yōu)勢(shì)。然而，由於傳統(tǒng)模擬計(jì)算精度低、難擴(kuò)展，逐漸被高精度、可編程的數(shù)字計(jì)算取代，成為存於教科書(shū)中的“老舊技術(shù)”。“如何讓模擬計(jì)算兼具高精度與可擴(kuò)展性，從而在現(xiàn)代計(jì)算任務(wù)中發(fā)揮其先天優(yōu)勢(shì)，一直是困擾全球科學(xué)界的‘世紀(jì)難題’。數(shù)字計(jì)算雖精度高，但計(jì)算速度慢，同時(shí)存在馮·諾依曼架構(gòu)的‘內(nèi)存牆’問(wèn)題，已成為人工智能、科學(xué)計(jì)算和6G通信發(fā)展的瓶頸?！?/p>

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)選擇了一條融合創(chuàng)新的道路，他們通過(guò)新型信息器件、原創(chuàng)電路和經(jīng)典算法的協(xié)同設(shè)計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)了在精度上可與數(shù)字計(jì)算媲美的模擬計(jì)算系統(tǒng)，將傳統(tǒng)模擬計(jì)算的精度提升了五個(gè)數(shù)量級(jí)?！拔覀冄邪l(fā)的新方案在保持模擬計(jì)算低復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了與數(shù)字FP32處理器相媲美的計(jì)算精度。團(tuán)隊(duì)還提出了塊矩陣模擬計(jì)算方法，像拼圖一樣將大問(wèn)題分解到多個(gè)芯片上協(xié)同解決，成功突破了模擬計(jì)算的規(guī)模限制，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了16×16矩陣方程的求解。”

孫仲透露，通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和基準(zhǔn)對(duì)比，該技術(shù)展現(xiàn)出卓越性能。在算力方面，當(dāng)求解32×32矩陣求逆問(wèn)題時(shí)，該方案算力已超越高端GPU的單核。當(dāng)問(wèn)題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時(shí)，計(jì)算吞吐量可達(dá)頂級(jí)數(shù)字處理器的1000倍以上?！斑@項(xiàng)技術(shù)還展現(xiàn)了極致的能效比。在相同精度下，該技術(shù)的能效比高出傳統(tǒng)數(shù)字處理器100倍以上，為算力中心能耗問(wèn)題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐?！?/p>

“這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)不止於一篇頂刊論文，它的應(yīng)用前景廣闊，可賦能多元計(jì)算場(chǎng)景，有望重塑算力格局?！睂O仲表示，在未來(lái)的6G通信領(lǐng)域，它能讓基站以實(shí)時(shí)且低能耗方式處理海量天線信號(hào)，提升網(wǎng)絡(luò)容量和能效。對(duì)於正在高速發(fā)展中的人工智能技術(shù)，這項(xiàng)研究有望加速大模型訓(xùn)練中計(jì)算密集的二階優(yōu)化算法，從而顯著提升訓(xùn)練效率?！案匾氖?，低功耗特性也將強(qiáng)力支持復(fù)雜信號(hào)處理和AI訓(xùn)推一體在終端設(shè)備上的直接運(yùn)行，大大降低對(duì)雲(yún)端的依賴，進(jìn)而推動(dòng)邊緣計(jì)算邁向新階段?！?/p>

“這項(xiàng)工作的最大價(jià)值在於，它用事實(shí)証明，模擬計(jì)算能以極高效率和精度解決現(xiàn)代科學(xué)和工程中的核心計(jì)算問(wèn)題。可以說(shuō)，我們?yōu)樗懔μ嵘剿鞒鲆粭l極具潛力的路徑，有望打破數(shù)字計(jì)算的長(zhǎng)期壟斷，開(kāi)啟一個(gè)算力無(wú)處不在且綠色高效的新時(shí)代?！睂O仲透露，目前，團(tuán)隊(duì)正積極推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，盡快將實(shí)驗(yàn)室成果推向市場(chǎng)。（記者晉浩天）

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