在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)相追逐算力極限、人工智能大模型對(duì)計(jì)算資源需求持續(xù)攀升的背景下，北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借一項(xiàng)突破性成果，為全球計(jì)算領(lǐng)域注入新的活力——他們成功研發(fā)出一款基于阻變存儲(chǔ)器的新型模擬矩陣計(jì)算芯片，標(biāo)志著中國(guó)在高端算力自主化道路上邁出關(guān)鍵一步。

這項(xiàng)由北京大學(xué)人工智能研究院孫仲研究員團(tuán)隊(duì)與集成電路學(xué)院聯(lián)合完成的研究，近日以論文形式發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《Nature·Electronics》。論文提出的“模擬計(jì)算”范式，顛覆了傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算依賴二進(jìn)制“0”與“1”的底層邏輯，轉(zhuǎn)而通過電壓和電流的連續(xù)變化直接完成復(fù)雜運(yùn)算，為解決馮·諾依曼架構(gòu)“存儲(chǔ)墻”問題提供了全新思路。

傳統(tǒng)數(shù)字芯片的計(jì)算過程，本質(zhì)上是無數(shù)次“0變1、1變0”的開關(guān)操作。數(shù)據(jù)需在存儲(chǔ)器與處理器間頻繁搬運(yùn)，如同狹窄管道中的洪流，既消耗時(shí)間又浪費(fèi)能量。而北大團(tuán)隊(duì)研發(fā)的模擬芯片，則讓計(jì)算回歸“本質(zhì)”——數(shù)學(xué)中的“10”不再被拆解為二進(jìn)制序列，而是直接表現(xiàn)為十伏的電流或流動(dòng)的能量。這種“存算一體”的設(shè)計(jì)，使芯片在硬件層面實(shí)現(xiàn)了計(jì)算與存儲(chǔ)的深度融合，徹底擺脫了“內(nèi)存墻”的束縛。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，該芯片在16×16矩陣的24位定點(diǎn)求逆任務(wù)中，相對(duì)誤差僅10??，精度達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。更令人驚嘆的是其效率：完成相同計(jì)算量，頂級(jí)GPU需運(yùn)行一整天，而這款模擬芯片僅需一分鐘，能效比提升100倍，且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱量。這意味著，未來訓(xùn)練AI大模型時(shí)，原本需要數(shù)百?gòu)圙PU組成的算力農(nóng)場(chǎng)，可能被一顆巴掌大小的模擬芯片替代。

技術(shù)的突破不僅在于“快”，更在于“巧”。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將“低精度模擬求逆”與“高精度模擬矩陣-向量乘法”結(jié)合：前者通過快速逼近提供初始解，后者利用精確修正確保最終精度，二者協(xié)同實(shí)現(xiàn)24位定點(diǎn)計(jì)算。配合塊矩陣協(xié)同算法，多個(gè)芯片可并行求解更大規(guī)模矩陣，展現(xiàn)了“新型信息器件+原創(chuàng)電路+經(jīng)典算法”的協(xié)同設(shè)計(jì)之美。

在硬件實(shí)現(xiàn)上，芯片采用40nm CMOS工藝，阻變存儲(chǔ)器陣列支持3比特電導(dǎo)態(tài)編程。這種設(shè)計(jì)使計(jì)算與存儲(chǔ)在物理層面合二為一，如同讓思維與記憶回歸同一腦區(qū)，使芯片能夠“理解數(shù)據(jù)”而非簡(jiǎn)單“處理數(shù)據(jù)”。

實(shí)際應(yīng)用中，這款芯片的表現(xiàn)同樣驚艷。在大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）信號(hào)檢測(cè)任務(wù)中，僅需三次迭代即可使接收?qǐng)D像與原始圖像高度一致，誤碼率-信噪比曲線接近32位浮點(diǎn)GPU水平。這不僅為無線通信信號(hào)處理提供了加速方案，更可能成為AI訓(xùn)練中“二階優(yōu)化”的硬件基石，大幅降低模型訓(xùn)練成本。

對(duì)于邊緣計(jì)算領(lǐng)域而言，這款芯片的低功耗、高精度特性更具革命性意義。未來，機(jī)器人、無人機(jī)、智能終端等設(shè)備將無需依賴云端，即可在本地完成AI模型的訓(xùn)練與推理，真正實(shí)現(xiàn)“端側(cè)智能”。當(dāng)AI能夠直接在設(shè)備上學(xué)習(xí)、思考并決策，一個(gè)“萬(wàn)物智能”的時(shí)代將悄然來臨。

孫仲研究員表示：“我們的目標(biāo)不是取代GPU，而是與它形成互補(bǔ)，讓計(jì)算更高效、更智慧。”這句話背后，既體現(xiàn)了科研工作者的務(wù)實(shí)態(tài)度，也彰顯了中國(guó)在算力領(lǐng)域從追趕者到開辟者的自信。當(dāng)電流開始“思考”，當(dāng)“存算一體”成為現(xiàn)實(shí)，中國(guó)科學(xué)家正用創(chuàng)新與堅(jiān)持，重新定義計(jì)算的邊界。