中国成功研制新型芯片(中国新型芯片有啥亮点)我国首次成功研发出一种模拟计算系统,其精度已达到与数字计算相媲美的水平。这一成就被业界称为“破解世纪难题”,有效地解决了自数字计算兴起以来模拟计算所面临的精度不足的问题。
中国成功研制新型芯片
经过半个多世纪的数字计算主导计算机领域,这项技术为后摩尔时代的计算模式变革开辟了全新的方向。当问题规模扩大到128×128时,该芯片的计算吞吐量超过顶级数字处理器的1000倍,能效提升超过100倍。
在数字计算盛行的时代,许多人可能对“模拟计算”这一概念不太熟悉。孙仲研究员用一个形象的比喻来阐明两者的区别:“如今所有的芯片都在进行数字计算,数据需先转化为由0和1组成的符号序列。例如,数字‘十’要被编码为‘1’和‘0’,表示为‘1010’。”
模拟计算不需要进行这种“转译”,它是一种“类比计算”,可以直接用连续的物理量(例如电压、电流)来对应数学数字。举个例子,数字“十”可以用十伏或十毫伏的电压来表示。
模拟计算并不是一个新概念。早在20世纪40到60年代,模拟计算机就已经得到了广泛的应用。然而,随着计算任务的日益复杂,其精度限制逐渐显露出来,因此最终被数字计算所取代。
在日常生活中,老式空调的旋钮是模拟逻辑的经典案例——旋钮上的刻度从16℃到30℃是连续的,如果想调到26℃,只需将旋钮转到26℃的刻度即可。而现代智能空调则采用数字逻辑——用户需要通过按“温度+”和“温度-”按钮,逐步调整到设定的目标温度。
尽管数字计算的精度很高,但它面临冯·诺依曼架构的“内存墙”问题,已成为人工智能、科学计算以及6G通信发展的瓶颈。相比之下,模拟计算利用物理规律进行直接运算,具备低功耗、低延迟、高能效和高并行性等天然优势。
孙仲指出:“如何使模拟计算在保持高精度的同时具备可扩展性,以便在现代计算任务中充分发挥其固有优势,一直是全球科学界面临的‘世纪难题’。”
矩阵方程的求解是线性代数的重要组成部分,广泛应用于信号处理、科学计算以及神经网络的二阶训练等领域。通过数字方法实现高精度的矩阵求逆,其计算成本非常高,时间复杂度可达到立方级。
随着大数据驱动的应用不断增加,高复杂度的计算对传统数字计算机造成了巨大的挑战。尤其是在传统器件尺寸的缩小接近物理极限,以及冯·诺依曼架构面临“内存墙”瓶颈的双重背景下,这一问题变得愈发明显。
中国新型芯片有啥亮点
相对而言,模拟计算凭借其通过物理定律直接实现高并行性、低延迟和低功耗运算的天然优势,再次引起了研究者的关注。然而,传统的模拟计算因其低精度和扩展性差等固有缺陷,逐渐被高精度且可编程的数字计算所取代,成为了教科书中的“过时技术”。
基于阻变存储器阵列的模拟矩阵计算技术被认为是一个有前景的解决方案。然而,关键的精度瓶颈问题一直没有得到有效的解决。
面对这一挑战,北大的研究团队选择了一条创新融合的路径。他们通过新型信息器件、原创电路和经典算法的协同设计,成功构建了一个基于阻变存储器阵列的高精度、可扩展的全模拟矩阵方程求解器,使模拟计算的精度首次达到了24位定点精度。
在计算精度方面,团队在实验中成功地实现了对16×16矩阵进行24比特定点数精度的求逆。在对矩阵方程进行10次迭代后,相对误差能够降至10⁻⁷的级别。
在计算性能方面,测试结果令人鼓舞——在解决32×32矩阵求逆问题时,其算力已经超越了高端GPU的单核性能;当问题规模扩大到128×128时,计算吞吐量更是达到了顶级数字处理器的1000倍以上。
团队将这项技术应用于“大规模MIMO信号检测”,经过仅三次迭代,恢复的图像与原始图像高度一致,误码率与32位数字计算的效果相当。这展示了该技术在实时信号处理方面的巨大潜力。
中国成功研制新型芯片(中国新型芯片有啥亮点)在能效方面,该方案在保持相同性能的情况下,其能效提升超过传统数字处理器的100倍,为高能效计算中心提供了关键的技术支持。这一能效的提高对于减少算力中心的能耗尤为重要。
