突破瓶頸！我國(guó)成功研制新型芯片模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精度求解

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2025-10-24 08:33:43 山西晚報(bào)

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。這款芯片在解決大規(guī)模MIMO信號(hào)檢測(cè)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題時(shí)，計(jì)算吞吐量和能效比當(dāng)前頂級(jí)數(shù)字處理器（GPU）高出百倍至千倍。相關(guān)研究成果發(fā)表在10月13日的《自然·電子學(xué)》期刊上。

對(duì)于大多數(shù)習(xí)慣于數(shù)字計(jì)算機(jī)（0和1）的公眾來(lái)說(shuō)，“模擬計(jì)算”可能既古老又新奇。孫仲用生動(dòng)的比喻解釋了這一概念：目前所有芯片都采用數(shù)字計(jì)算，數(shù)據(jù)需要先轉(zhuǎn)換成0和1的符號(hào)串。例如，數(shù)字“十”需轉(zhuǎn)譯為“1010”。而在模擬計(jì)算中，無(wú)需這層轉(zhuǎn)譯，可以直接使用連續(xù)的物理量如電壓或電流來(lái)表示數(shù)學(xué)上的數(shù)字。比如，可以用十伏或十毫伏的電壓直接表示數(shù)學(xué)上的“十”。

模擬計(jì)算機(jī)曾在上世紀(jì)30-60年代廣泛應(yīng)用，但隨著計(jì)算任務(wù)復(fù)雜度增加，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“算不準(zhǔn)”的問(wèn)題。

當(dāng)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)。而基于阻變存儲(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，同時(shí)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)算與存儲(chǔ)合為一體，實(shí)現(xiàn)算力解放。

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精度，時(shí)間復(fù)雜度達(dá)到立方級(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、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，將為傳統(tǒng)GPU的算力帶來(lái)顯著突破。

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