廣東
來源：共青團(tuán)中央
大腦皮層表面那層復(fù)雜的溝回褶皺，想要在計(jì)算機(jī)里實(shí)時(shí)重建，過去需要昂貴的大型計(jì)算設(shè)備離線運(yùn)算良久。如今，這一局面被一顆拇指大小的芯片改寫。
新基石研究員、北京大學(xué)集成電路學(xué)院教授楊玉超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠研究員團(tuán)隊(duì)，成功研制出全球首款基于相變憶阻器的神經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)芯片，首次將這類復(fù)雜運(yùn)算的單步時(shí)延壓縮至2.12毫秒，在腦皮層重建等任務(wù)中較目前先進(jìn)圖形處理器（GPU）提速達(dá)50至478倍，一舉突破了制約神經(jīng)動力學(xué)長達(dá)半個世紀(jì)的實(shí)時(shí)計(jì)算瓶頸。相關(guān)成果3日凌晨發(fā)表于《科學(xué)》。
楊玉超介紹，要讓機(jī)器像大腦那樣實(shí)時(shí)建模和理解物理世界，需要一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與微分方程相結(jié)合的“神經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)”。它能在不完整、帶噪聲的數(shù)據(jù)中重建出平滑精確的三維腦結(jié)構(gòu)，應(yīng)用潛力巨大。
然而，傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)存在一個核心瓶頸：存儲與計(jì)算分離，求解過程中海量的中間變量在內(nèi)存和處理器之間反復(fù)奔波，如同一個龐大的數(shù)據(jù)工廠，大量時(shí)間被浪費(fèi)在搬運(yùn)路途中，不僅延遲巨大，功耗也居高不下。
面對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)從憶阻器本身的物理特性里找到了破局答案。他們利用相變存儲器獨(dú)特的“電導(dǎo)漂移”現(xiàn)象——在一定時(shí)間窗口內(nèi)，其電導(dǎo)變化是可預(yù)測、可精準(zhǔn)調(diào)控的。
基于此，團(tuán)隊(duì)提出“可控存內(nèi)計(jì)算”新范式，將動力學(xué)系統(tǒng)求解中最耗時(shí)的自適應(yīng)步長搜索，直接編碼為器件的物理電導(dǎo)演化過程，在存儲單元內(nèi)部原地完成計(jì)算。通俗地講，原本需要復(fù)雜數(shù)字電路反復(fù)執(zhí)行的運(yùn)算、緩存訪問、數(shù)據(jù)搬運(yùn)等工作，現(xiàn)在交給了器件自身的物理規(guī)律去“跑”。
更值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)還將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重映射到相變存儲器的多級電導(dǎo)態(tài)上，在同一個陣列內(nèi)同步完成矩陣乘加運(yùn)算。兩大核心計(jì)算任務(wù)由此被統(tǒng)一集成在總面積僅0.28平方毫米的存算陣列中。這顆采用40納米工藝的芯片運(yùn)行頻率為50兆赫茲，單步積分僅需9級流水線，最終實(shí)現(xiàn)2.12毫秒的單次迭代時(shí)延，首次將神經(jīng)動力學(xué)硬件推入毫秒時(shí)代。
基于相變型憶阻器的毫秒級神經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)
“性能表現(xiàn)令人振奮。”楊玉超表示，在同等運(yùn)算下，該芯片較當(dāng)前最先進(jìn)的專用加速器速度提升3.82至36.27倍，功耗降低11.75至24.73倍；在腦皮層表面高保真重建任務(wù)中，甚至比NVIDIA A100 GPU提速高達(dá)50.38至478.18倍。重建出的腦皮層網(wǎng)格平滑、拓?fù)湟恢拢芫珳?zhǔn)刻畫復(fù)雜的褶皺結(jié)構(gòu)，并有效抑制傳統(tǒng)方法中的偽影和自相交缺陷。
楊玉超說，這一突破為腦機(jī)接口和腦疾病診療開啟了全新想象空間。未來，個體化、動態(tài)化的腦數(shù)字孿生成為可能，術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航、阿爾茨海默癥早篩及個性化干預(yù)等，將獲得可實(shí)時(shí)運(yùn)行的硬件底座。
來源：微信公眾號“共青團(tuán)中央”綜合整理自微信公眾號“光明日報(bào)”（記者：晉浩天），“北京大學(xué)集成電路學(xué)院”、“北京大學(xué)深圳研究生院”
特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布，本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
