在數(shù)字計算主導(dǎo)計算機領(lǐng)域半個多世紀(jì)后，我國科學(xué)家在新型計算架構(gòu)上取得重大突破——北京大學(xué)人工智能研究院孫仲團隊主導(dǎo)，并聯(lián)合集成電路學(xué)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，首次將模擬計算的精度提升至24位定點精度。相關(guān)性能評估表明，該芯片在求解大規(guī)模MIMO信號檢測等關(guān)鍵科學(xué)問題時，計算吞吐量與能效較當(dāng)前頂級數(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)志著我國突破模擬計算世紀(jì)難題，在后摩爾時代計算范式變革中取得重大突破，為應(yīng)對人工智能與6G通信等領(lǐng)域的算力挑戰(zhàn)開辟了全新路徑，相關(guān)成果13日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》。

論文通訊作者孫仲告訴記者，模擬計算是早期計算機的核心技術(shù)，通過物理定律直接運算，具有高并行、低延時、低功耗的先天優(yōu)勢。然而，由于傳統(tǒng)模擬計算精度低、難擴展，逐漸被高精度、可編程的數(shù)字計算取代，成為存于教科書中的“老舊技術(shù)”?！叭绾巫屇M計算兼具高精度與可擴展性，從而在現(xiàn)代計算任務(wù)中發(fā)揮其先天優(yōu)勢，一直是困擾全球科學(xué)界的‘世紀(jì)難題’。數(shù)字計算雖精度高，但計算速度慢，同時存在馮·諾依曼架構(gòu)的‘內(nèi)存墻’問題，已成為人工智能、科學(xué)計算和6G通信發(fā)展的瓶頸?！?/p>

面對這一挑戰(zhàn)，研究團隊選擇了一條融合創(chuàng)新的道路，他們通過新型信息器件、原創(chuàng)電路和經(jīng)典算法的協(xié)同設(shè)計，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)，將傳統(tǒng)模擬計算的精度提升了五個數(shù)量級?！拔覀冄邪l(fā)的新方案在保持模擬計算低復(fù)雜度優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)了與數(shù)字FP32處理器相媲美的計算精度。團隊還提出了塊矩陣模擬計算方法，像拼圖一樣將大問題分解到多個芯片上協(xié)同解決，成功突破了模擬計算的規(guī)模限制，實驗實現(xiàn)了16×16矩陣方程的求解。”

孫仲透露，通過嚴(yán)格的實驗測試和基準(zhǔn)對比，該技術(shù)展現(xiàn)出卓越性能。在算力方面，當(dāng)求解32×32矩陣求逆問題時，該方案算力已超越高端GPU的單核。當(dāng)問題規(guī)模擴大至128×128時，計算吞吐量可達頂級數(shù)字處理器的1000倍以上。“這項技術(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，為算力中心能耗問題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。”

“這項突破的意義遠(yuǎn)不止于一篇頂刊論文，它的應(yīng)用前景廣闊，可賦能多元計算場景，有望重塑算力格局?！睂O仲表示，在未來的6G通信領(lǐng)域，它能讓基站以實時且低能耗方式處理海量天線信號，提升網(wǎng)絡(luò)容量和能效。對于正在高速發(fā)展中的人工智能技術(shù)，這項研究有望加速大模型訓(xùn)練中計算密集的二階優(yōu)化算法，從而顯著提升訓(xùn)練效率。“更重要的是，低功耗特性也將強力支持復(fù)雜信號處理和AI訓(xùn)推一體在終端設(shè)備上的直接運行，大大降低對云端的依賴，進而推動邊緣計算邁向新階段?！?/p>

“這項工作的最大價值在于，它用事實證明，模擬計算能以極高效率和精度解決現(xiàn)代科學(xué)和工程中的核心計算問題。可以說，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)字計算的長期壟斷，開啟一個算力無處不在且綠色高效的新時代?！睂O仲透露，目前，團隊正積極推進該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，盡快將實驗室成果推向市場。（記者晉浩天）

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