算力達(dá)GPU千倍！北大芯片突破登Nature子刊

芯東西（公眾號：aichip001）
編譯 程茜
編輯 Panken

芯東西10月17日消息，10月13日，北京大學(xué)AI研究院孫仲研究員團(tuán)隊及合作者的新研究成果，登上國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature子刊Nature Electronics。

該團(tuán)隊成功研制出基于阻變存儲器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計算芯片，將傳統(tǒng)模擬計算的精度提升了五個數(shù)量級，首次將模擬計算的精度提升至24位定點(diǎn)精度，可與數(shù)字計算媲美。

論文提到，相關(guān)性能評估表明，該芯片在求解大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）信號檢測等關(guān)鍵科學(xué)問題時，在相同的精度下，該模擬計算方法可以提供比最先進(jìn)的GPU高1000倍的吞吐量和100倍的能效。

孫仲認(rèn)為，這項進(jìn)展能在未來的6G通信領(lǐng)域讓基站實(shí)時、低能耗處理海量天線信號，提升網(wǎng)絡(luò)容量和能效；在AI領(lǐng)域其有望加速大模型訓(xùn)練中計算密集的二階優(yōu)化算法從而提升訓(xùn)練效率，此外其低功耗特性也可支持復(fù)雜信號處理和AI訓(xùn)推一體在終端設(shè)備上的直接運(yùn)行，推動邊緣計算發(fā)展。

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AI與6G通信等領(lǐng)域的算力挑戰(zhàn)開辟了全新路徑。

論文的題目為《基于阻變存儲器芯片的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣方程求解技術(shù)（Precise and scalable analogue matrix equation solving using resistive random-access memory chips）。該研究由北京大學(xué)AI研究院通用AI芯片研究中心主導(dǎo)，并聯(lián)合集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊完成，孫仲課題組在項目攻關(guān)中發(fā)揮了核心作用，是此項成果的主要貢獻(xiàn)者。

▲Nature Electronics論文發(fā)布主頁

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01477-0

一、讓模擬計算兼顧高精度、可擴(kuò)展性是世紀(jì)難題

在傳統(tǒng)器件尺寸縮放逼近物理極限、傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)面臨“內(nèi)存墻”瓶頸的雙重背景下，高復(fù)雜度計算給傳統(tǒng)數(shù)字計算機(jī)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

模擬計算具備通過物理定律直接實(shí)現(xiàn)高并行、低延時、低功耗的先天優(yōu)勢，但此前傳統(tǒng)模擬計算因受限于低精度、難擴(kuò)展等缺點(diǎn)使其逐漸被數(shù)字計算所取代。

當(dāng)下，孫仲認(rèn)為：“如何讓模擬計算兼具高精度與可擴(kuò)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’。”

解決這一難題的可行路徑是基于阻變存儲器陣列的模擬矩陣計算技術(shù)（AMC），基于“陣列-運(yùn)算放大器”閉環(huán)反饋原理設(shè)計的矩陣求逆電路，能夠?qū)崿F(xiàn)矩陣求逆的一步式求解。其可以通過在阻變存儲器陣列和運(yùn)算放大器（OPA）等傳統(tǒng)模擬元件之間建立閉環(huán)反饋，所得電路可以一步解決矩陣反轉(zhuǎn)（INV）。

▲模擬矩陣計算電路求解矩陣方程

但這類電路的低精度特性、電路的硬連接結(jié)構(gòu)仍是挑戰(zhàn)。

此外，在模擬矩陣乘法計算中，比特切片、模擬補(bǔ)償可用于精確執(zhí)行矩陣向量乘法，但使用此類技術(shù)求解矩陣方程具有挑戰(zhàn)性，矩陣方程求解過程缺乏有效的分配律與分塊矩陣方法支撐，這使得使得解決模擬INV的精度和可擴(kuò)展性問題具有挑戰(zhàn)性。

論文提到，其中一種解決方案是采用模擬-數(shù)字混合設(shè)計。以前的方法將基于MVM的低精度迭代模擬求解器結(jié)合在迭代細(xì)化算法中，浮點(diǎn)數(shù)字計算機(jī)用于執(zhí)行高精度MVM（HP-MVM）運(yùn)算，收斂到準(zhǔn)確的結(jié)果。

但這種方案會削弱模擬計算在降低復(fù)雜性方面的優(yōu)勢，并且需模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致矩陣方程求解性能只能逐步提高。模擬INV僅限于具有無源電阻隨機(jī)存取存儲器（RRAM）陣列的小規(guī)模電路，這不利于晶圓代工制造，并且缺乏可靠的多級存儲器特性。

二、提出高精度、可拓展全模擬矩陣方程求解器，首次將模擬計算精度提升至24位定點(diǎn)精度

在此基礎(chǔ)上，北京大學(xué)AI研究院孫仲研究員團(tuán)隊提出了一種基于阻變存儲器陣列的高精度、可拓展的全模擬矩陣方程求解器。

該方案使用一種迭代算法，結(jié)合了模擬低精度矩陣求逆（LP-INV）和模擬高精度矩陣向量乘法（HP-MVM）運(yùn)算，通過將這些芯片與分塊矩陣算法相結(jié)合，首次將模擬計算的精度提升至24位定點(diǎn)精度。模擬INV通過在每次迭代中提供近似正確的結(jié)果來減少迭代次數(shù)，高精度模擬MVM則通過比特切片實(shí)現(xiàn)。

此外，模擬低精度矩陣求逆和模擬高精度矩陣-向量乘法運(yùn)算兩個電路的阻變存儲器陣列在40nm CMOS工藝平臺制造，可實(shí)現(xiàn)3比特電導(dǎo)態(tài)編程。

▲高精度全模擬矩陣計算求解矩陣方程

研究團(tuán)隊還在硬件中驗證了BlockAMC方法，該方法使用塊矩陣求解大規(guī)模矩陣方程，并使用它來求解中等規(guī)模16×16矩陣方程。

具有模擬矩陣運(yùn)算的HP-INV方案，由LP-INV和HP-MVM作的迭代組成，兩者均由AMC電路實(shí)現(xiàn)。HP-INV方法可以擴(kuò)展到求解實(shí)值和復(fù)值矩陣方程，這些矩陣方程經(jīng)常出現(xiàn)在科學(xué)計算中的微分方程和無線通信中的信號處理等應(yīng)用中。

研究人員評估了導(dǎo)線電阻對HP-INV收斂率的潛在影響，與基于RRAM的MVM應(yīng)用相比，在片上構(gòu)建大規(guī)模INV電路更具挑戰(zhàn)。盡管如此，32×32至64×64的陣列已經(jīng)可以在吞吐量和能效方面提供顯著增益，盡管它比典型的基于RRAM的MVM電路小得多。

目前其對于LP-INV的演示仍然僅限于8×8個陣列，擴(kuò)展到更大的32×32實(shí)現(xiàn)將需要專用的芯片設(shè)計和流片驗證。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，對于此類設(shè)計，將中等規(guī)模的LP-INV與HP-MVM集成在單個芯片上將特別有價值，并且應(yīng)該成為未來研究的主要焦點(diǎn)。

三、計算吞吐量、能效是GPU的千倍、百倍，可應(yīng)用于大規(guī)模輸入輸出

該方案實(shí)現(xiàn)了計算精度提升，通過與塊矩陣算法相結(jié)合，研究團(tuán)隊在實(shí)驗上成功實(shí)現(xiàn)了16×16矩陣的24比特定點(diǎn)數(shù)精度求逆，也就是矩陣方程求解經(jīng)過10次迭代后，相對誤差可低至10??量級。

▲基于塊矩陣方法求解高精度、可拓展矩陣方程的實(shí)驗結(jié)果

在計算性能方面，北京大學(xué)AI研究院公眾號提到，其測試結(jié)果表明，在求解32×32矩陣求逆問題時，其算力已超越高端GPU的單核性能；當(dāng)問題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時，計算吞吐量更達(dá)到頂級數(shù)字處理器的1000倍以上。

能效比方面，其在相同精度下能效比傳統(tǒng)數(shù)字處理器提升超100倍。

在應(yīng)用驗證層面，大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)有望在5G-A和6G時代大幅提高無線通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，但在大規(guī)模MIMO中，基站（BS）的天線數(shù)量遠(yuǎn)大于用戶設(shè)備的天線數(shù)量。

模擬求解器可應(yīng)用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的檢測過程，與采用256-QAM調(diào)制的128×8系統(tǒng)的數(shù)字求解器相比，僅在三個迭代周期內(nèi)就顯示出相同的誤碼率性能。

▲高精度矩陣方程求解在大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）迫零檢測信號處理過程中的應(yīng)用

綜合基準(zhǔn)測試結(jié)果證實(shí)，在保持相當(dāng)計算精度的前提下，該模擬計算方法可實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的處理速度和能效。

結(jié)語：為算力提升探索出一條極具潛力的路徑

這篇論文提出的基于阻變存儲器陣列的高精度、可拓展的全模擬矩陣方程求解器，為應(yīng)對AI與6G通信等領(lǐng)域的算力挑戰(zhàn)開辟了全新路徑。

孫仲認(rèn)為，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，“這項工作的最大價值在于，它用事實(shí)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?？梢哉f，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。”