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　　近期(qi)，我(wo)國高校科(ke)研團隊分(fen)別研制出了高精度可(ke)擴展模擬(ni)矩陣計算芯片、亞埃(ai)米級光譜成(cheng)像芯片，取得(de)重大突破(po)。一起來看——

　　北京大學：高精度可擴展模擬矩陣計算芯片問世

　　在數字計(ji)算(suan)主(zhu)導計(ji)算(suan)機領(ling)域半個多世紀(ji)(ji)后，我(wo)國科學家在新型計(ji)算(suan)架構(gou)上取得(de)重大(da)突破——北(bei)京大(da)學人(ren)工智能研究院(yuan)孫仲團隊(dui)主(zhu)導，并聯合集成(cheng)(cheng)電(dian)路學院(yuan)研究團隊(dui)，成(cheng)(cheng)功研制出基于阻變存(cun)儲器的高精(jing)度(du)、可擴展模擬矩陣計(ji)算(suan)芯片，首(shou)次將模擬計(ji)算(suan)的精(jing)度(du)提(ti)升(sheng)至24位定點(dian)精(jing)度(du)。相關(guan)(guan)性能評估表明，該(gai)芯片在求解大(da)規模MIMO信(xin)號檢測等(deng)關(guan)(guan)鍵科學問題(ti)時(shi)，計(ji)算(suan)吞吐量與(yu)能效(xiao)較當(dang)前頂級數字處(chu)(chu)理器(如圖形處(chu)(chu)理器GPU)提(ti)升(sheng)百倍(bei)至千倍(bei)。這一成(cheng)(cheng)果標志著我(wo)國突破模擬計(ji)算(suan)世紀(ji)(ji)難題(ti)，在后摩(mo)爾時(shi)代(dai)計(ji)算(suan)范式變革中取得(de)重大(da)突破，為(wei)應對人(ren)工智能與(yu)6G通信(xin)等(deng)領(ling)域的算(suan)力挑戰開(kai)辟(pi)了(le)全新路徑，相關(guan)(guan)成(cheng)(cheng)果13日發表于國際學術期刊《自(zi)然·電(dian)子(zi)學》。

　　論(lun)文(wen)通訊作者孫仲(zhong)表(biao)示(shi)，模(mo)擬(ni)(ni)(ni)計(ji)(ji)算(suan)(suan)是早期計(ji)(ji)算(suan)(suan)機的(de)核心技(ji)術，通過物理定律直(zhi)接(jie)運算(suan)(suan)，具(ju)(ju)有高并行、低延時、低功(gong)耗的(de)先(xian)天優勢。然而，由于傳統模(mo)擬(ni)(ni)(ni)計(ji)(ji)算(suan)(suan)精(jing)(jing)度(du)低、難(nan)擴展(zhan)，逐漸被(bei)高精(jing)(jing)度(du)、可(ke)編程的(de)數字計(ji)(ji)算(suan)(suan)取代，成為(wei)存(cun)于教科(ke)(ke)書中(zhong)的(de)“老舊技(ji)術”。“如何(he)讓模(mo)擬(ni)(ni)(ni)計(ji)(ji)算(suan)(suan)兼具(ju)(ju)高精(jing)(jing)度(du)與可(ke)擴展(zhan)性，從(cong)而在現(xian)代計(ji)(ji)算(suan)(suan)任務(wu)中(zhong)發揮其先(xian)天優勢，一直(zhi)是困(kun)擾全球科(ke)(ke)學(xue)界的(de)‘世紀難(nan)題’。數字計(ji)(ji)算(suan)(suan)雖精(jing)(jing)度(du)高，但(dan)計(ji)(ji)算(suan)(suan)速度(du)慢，同(tong)時存(cun)在馮·諾依曼架(jia)構的(de)‘內存(cun)墻’問題，已成為(wei)人工智能、科(ke)(ke)學(xue)計(ji)(ji)算(suan)(suan)和(he)6G通信發展(zhan)的(de)瓶頸。”

模擬矩陣計算電路求解矩陣方程

　　面對這一挑戰，研究團(tuan)隊選擇了(le)(le)一條融合(he)創(chuang)新的道路，他(ta)們通過新型(xing)信息器(qi)件、原創(chuang)電路和經典算(suan)法(fa)的協同(tong)設計(ji)(ji)(ji)，首次實現(xian)了(le)(le)在(zai)精(jing)度(du)上可與(yu)數(shu)字(zi)計(ji)(ji)(ji)算(suan)媲美的模擬(ni)計(ji)(ji)(ji)算(suan)系統(tong)(tong)，將傳統(tong)(tong)模擬(ni)計(ji)(ji)(ji)算(suan)的精(jing)度(du)提升了(le)(le)五個數(shu)量(liang)級(ji)。“我(wo)們研發的新方案(an)在(zai)保持(chi)模擬(ni)計(ji)(ji)(ji)算(suan)低復雜度(du)優(you)勢的同(tong)時(shi)，實現(xian)了(le)(le)與(yu)數(shu)字(zi)FP32處理(li)器(qi)相媲美的計(ji)(ji)(ji)算(suan)精(jing)度(du)。團(tuan)隊還提出(chu)了(le)(le)塊矩陣模擬(ni)計(ji)(ji)(ji)算(suan)方法(fa)，像拼圖一樣(yang)將大問題分(fen)解到多個芯片(pian)上協同(tong)解決，成功突破了(le)(le)模擬(ni)計(ji)(ji)(ji)算(suan)的規模限制，實驗實現(xian)了(le)(le)16×16矩陣方程的求解。”

　　孫仲透露，通過嚴格的(de)(de)實驗測試和基準(zhun)對比，該(gai)(gai)技(ji)術展現出(chu)卓越性能(neng)(neng)(neng)(neng)。在算(suan)力方面，當(dang)求解32×32矩陣求逆問題時，該(gai)(gai)方案算(suan)力已超越高(gao)端(duan)GPU的(de)(de)單核。當(dang)問題規模擴(kuo)大(da)至128×128時，計算(suan)吞(tun)吐量可達頂級數字處理(li)器(qi)的(de)(de)1000倍(bei)以(yi)上。“這(zhe)項技(ji)術還展現了極致的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)效比。在相同精度下，該(gai)(gai)技(ji)術的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)效比高(gao)出(chu)傳統(tong)數字處理(li)器(qi)100倍(bei)以(yi)上，為(wei)算(suan)力中心能(neng)(neng)(neng)(neng)耗問題提供(gong)關鍵技(ji)術支撐(cheng)。”

高精度全模擬矩陣計算求解矩陣方程

　　“這(zhe)項突破的(de)意(yi)義遠不止(zhi)于一篇頂(ding)刊論文，它的(de)應用前景廣闊，可賦能(neng)(neng)多元計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)場景，有望重(zhong)(zhong)塑算(suan)(suan)(suan)力格局。”孫仲(zhong)表示，在(zai)(zai)未來的(de)6G通信(xin)領(ling)域，它能(neng)(neng)讓基站以(yi)實時且(qie)低能(neng)(neng)耗方式處(chu)理(li)(li)海(hai)量(liang)天線信(xin)號，提(ti)(ti)升網絡(luo)容量(liang)和能(neng)(neng)效。對于正在(zai)(zai)高(gao)速(su)發展中的(de)人(ren)工(gong)智能(neng)(neng)技術，這(zhe)項研(yan)究有望加(jia)速(su)大模型訓(xun)(xun)練中計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)密集的(de)二(er)階優化(hua)算(suan)(suan)(suan)法，從而顯著提(ti)(ti)升訓(xun)(xun)練效率。“更重(zhong)(zhong)要的(de)是，低功耗特性也將強力支持復雜信(xin)號處(chu)理(li)(li)和AI訓(xun)(xun)推一體在(zai)(zai)終端設備上的(de)直(zhi)接運行(xing)，大大降低對云端的(de)依(yi)賴，進而推動邊緣計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)邁向新(xin)階段。”

　　“這項工作的(de)(de)最(zui)大價值在于，它用事(shi)實證(zheng)明，模擬(ni)計(ji)算能以(yi)極(ji)高(gao)效率和精度解(jie)決現代科學和工程中的(de)(de)核心計(ji)算問題。可以(yi)說，我們為算力提升探(tan)索(suo)出(chu)一條極(ji)具潛力的(de)(de)路徑，有(you)望打破數(shu)字計(ji)算的(de)(de)長期壟斷，開啟(qi)一個算力無處(chu)不在且綠色高(gao)效的(de)(de)新時代。”孫仲透露，目前，團隊正(zheng)積極(ji)推(tui)進(jin)(jin)該技術的(de)(de)產業化進(jin)(jin)程，盡(jin)快將實驗室成果推(tui)向市(shi)場。

　　清華大學：亞埃米級光譜成像芯片“玉衡”問世

　　清華(hua)大學電子工程系(xi)方璐教授課(ke)題組另辟蹊(xi)徑(jing)，首創了可(ke)重構計算光(guang)學成像(xiang)架構，研(yan)制出(chu)高分辨光(guang)譜成像(xiang)芯片“玉(yu)(yu)衡(heng)”，實現了亞(ya)埃米級光(guang)譜分辨率(lv)、千萬像(xiang)素級空(kong)間(jian)分辨率(lv)的快照光(guang)譜成像(xiang)。“玉(yu)(yu)衡(heng)”攻(gong)克了光(guang)譜成像(xiang)系(xi)統的分辨率(lv)、效率(lv)與集成度難題，可(ke)廣泛應用(yong)于機器智能、機載(zai)遙(yao)感、天文觀測等領(ling)域，有望為暗(an)物質、黑(hei)洞等基(ji)礎物理前沿研(yan)究提供前所未(wei)有的新視(shi)野。該研(yan)究成果15日在線發(fa)表(biao)于國際期刊《自然(ran)》。

“玉衡”光譜成像芯片概念圖

　　光(guang)(guang)，是自(zi)然最深邃的語言。自(zi)1666年牛頓以棱鏡劃開(kai)白光(guang)(guang)，人類便以光(guang)(guang)譜(pu)之(zhi)筆，書寫對物質(zhi)與(yu)(yu)宇(yu)宙的理(li)解(jie)(jie)。光(guang)(guang)譜(pu)記錄著光(guang)(guang)在(zai)不同波長下的強(qiang)度變化(hua)，揭示了物質(zhi)與(yu)(yu)光(guang)(guang)的相(xiang)互作用(yong)，是解(jie)(jie)析(xi)成(cheng)分(fen)、結構與(yu)(yu)特性的“光(guang)(guang)學密(mi)鑰”。然而，傳統(tong)光(guang)(guang)譜(pu)測量受(shou)限于分(fen)光(guang)(guang)采(cai)集(ji)與(yu)(yu)固化(hua)結構，光(guang)(guang)譜(pu)分(fen)辨率與(yu)(yu)成(cheng)像通(tong)量之(zhi)間長期存(cun)在(zai)固有矛盾，成(cheng)為光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像領域久未(wei)破解(jie)(jie)的科(ke)學難題。

　　“我們提出可(ke)重構計(ji)算光(guang)(guang)學(xue)成(cheng)像架構，將物理分光(guang)(guang)限制(zhi)(zhi)轉(zhuan)化(hua)為光(guang)(guang)子(zi)調(diao)制(zhi)(zhi)與重建過程，挖掘(jue)隨機干涉掩膜與鈮酸鋰(li)材料的(de)(de)(de)電光(guang)(guang)重構特性，實現了(le)高維(wei)光(guang)(guang)譜(pu)調(diao)制(zhi)(zhi)與高通(tong)量(liang)解調(diao)的(de)(de)(de)協同計(ji)算。”方璐介紹，團隊(dui)由此研(yan)制(zhi)(zhi)出亞埃米級高分辨光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像芯片——“玉(yu)衡”，無需在波長(chang)維(wei)度(du)犧牲通(tong)量(liang)，每(mei)個(ge)像素(su)均可(ke)獲取完整光(guang)(guang)譜(pu)信息，快照光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像的(de)(de)(de)分辨能力提升兩個(ge)數量(liang)級，突破(po)了(le)光(guang)(guang)譜(pu)分辨率與成(cheng)像通(tong)量(liang)無法兼得的(de)(de)(de)長(chang)期瓶頸。

可重構計算光學成像架構

　　與傳統(tong)體型龐(pang)大(da)(da)、采(cai)集(ji)緩慢的高分(fen)辨光譜裝置不同，“玉衡”僅約2厘(li)米(mi)(mi)×2厘(li)米(mi)(mi)×0.5厘(li)米(mi)(mi)大(da)(da)小(xiao)，在400至1000納米(mi)(mi)的寬(kuan)光譜范圍內(nei)實現了亞埃米(mi)(mi)級光譜分(fen)辨率、千萬像(xiang)素級空間分(fen)辨率的快照光譜成像(xiang)。

　　“以天文觀測(ce)為例(li)，‘玉(yu)(yu)衡(heng)’的快照式(shi)成像每秒獲取近(jin)萬(wan)顆恒星(xing)的完整(zheng)光(guang)譜(pu)，有望將銀(yin)河(he)系千(qian)億顆恒星(xing)的光(guang)譜(pu)巡(xun)天周期(qi)從數千(qian)年(nian)縮(suo)短至十(shi)年(nian)以內。”方璐介(jie)紹(shao)，憑借微型化設計，“玉(yu)(yu)衡(heng)”還可搭載于衛星(xing)，有望在(zai)數年(nian)內繪制出人類前(qian)所(suo)未見(jian)的宇宙光(guang)譜(pu)圖景。

　　據悉(xi)，目(mu)前(qian)課題組正基于(yu)原理樣(yang)片，加(jia)速(su)工程化樣(yang)機與(yu)系統級(ji)優化，并將在10.4米口徑加(jia)那利大(da)型望遠鏡上進行測試應用。