近日，北京大學(xué)人工智能研究院孫仲研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出基于阻變存儲(chǔ)器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計(jì)算芯片，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)。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(GPU)提升百倍至千倍。相關(guān)論文10月13日刊發(fā)于《自然·電子學(xué)》期刊。
我們熟悉的通信基站信號(hào)處理、AI大模型訓(xùn)練參數(shù)優(yōu)化等，本質(zhì)都是在解復(fù)雜的矩陣方程。采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)高精度矩陣求逆的計(jì)算開(kāi)銷極大，耗時(shí)長(zhǎng)、能耗高。于是，曾被視為老舊技術(shù)的模擬計(jì)算重新進(jìn)入研究視野，它直接利用物理定律實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，延時(shí)低、功耗低，在算力瓶頸背景下，具有先天優(yōu)勢(shì)。
但如何讓模擬計(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。
孫仲團(tuán)隊(duì)選擇了一條融合創(chuàng)新的道路，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)，構(gòu)建了一個(gè)基于阻變存儲(chǔ)器陣列的高精度、可拓展的全模擬矩陣方程求解器，首次將模擬計(jì)算的精度提升至24位定點(diǎn)精度。
孫仲介紹，研究團(tuán)隊(duì)基于迭代算法，結(jié)合了模擬低精度矩陣求逆和模擬高精度矩陣—向量乘法運(yùn)算，開(kāi)發(fā)了一種基于全模擬矩陣運(yùn)算的高精度矩陣方程求解方案，先快速算出矩陣方程的“近似解”，再用“位切片”方法，實(shí)現(xiàn)迭代細(xì)化。
在計(jì)算精度方面，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)16×16矩陣的24比特定點(diǎn)數(shù)精度求逆，矩陣方程求解經(jīng)過(guò)10次迭代后，相對(duì)誤差可低至10-7量級(jí)。在計(jì)算性能方面，在求解32×32矩陣求逆問(wèn)題時(shí)，其算力已超越高端GPU的單核性能；當(dāng)問(wèn)題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時(shí)，計(jì)算吞吐量更達(dá)到頂級(jí)數(shù)字處理器的1000倍以上，傳統(tǒng)GPU干一天的活，這款芯片一分鐘就能搞定。同時(shí)，該方案在相同精度下能效比傳統(tǒng)數(shù)字處理器提升超100倍，為高能效計(jì)算中心提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
團(tuán)隊(duì)將它應(yīng)用到了“大規(guī)模MIMO(多輸入多輸出)信號(hào)檢測(cè)”中，僅用3次迭代，恢復(fù)的圖像就和原始圖像高度一致，誤碼率和32位數(shù)字計(jì)算效果相當(dāng)，凸顯其在實(shí)時(shí)信號(hào)處理中的潛力。
“我們證明，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。”孫仲說(shuō)，這項(xiàng)突破的應(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。團(tuán)隊(duì)的研究為算力提升探索出一條極具潛力的路徑，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。
