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近日，北京大學(xué)人工智能研究院陶耀宇研究員、集成電路學(xué)院楊玉超教授組成的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了后摩爾新器件異質(zhì)集成的多物理域融合傅里葉變換系統(tǒng)。相關(guān)成果論文1月9日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子》。

當(dāng)前，傳統(tǒng)硅基器件發(fā)展已逼近極限，“摩爾定律”進(jìn)入瓶頸期。以憶阻器、光電器件為代表的“后摩爾新器件”被視為突破算力與能效困局的新希望，但其支持算子種類(lèi)單一，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用多樣化需求。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，北大團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期攻堅(jiān)相關(guān)“深水區(qū)”，創(chuàng)新地將易失性氧化釩器件與非易失性氧化鉭/鉿器件進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)異質(zhì)集成。這一設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了兩類(lèi)器件在頻率生成調(diào)控與存算一體方面的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了在同一硬件平臺(tái)上對(duì)可變基數(shù)、均勻或非均勻離散傅里葉變換的統(tǒng)一支持。在保證傅里葉變換精度、降低計(jì)算功耗的前提下，可將吞吐率從當(dāng)前100GS/s級(jí)別提升至500GS/s以上。

該成果不僅在計(jì)算性能與能效上實(shí)現(xiàn)了跨越式提升，更重要的是，它從物理實(shí)現(xiàn)層面重新構(gòu)建了傅里葉變換的計(jì)算邏輯：通過(guò)后摩爾新器件的物理導(dǎo)電映射與振蕩機(jī)制頻譜生成，將傳統(tǒng)由算法與邏輯電路驅(qū)動(dòng)的計(jì)算范式轉(zhuǎn)化為由器件物理特性驅(qū)動(dòng)的自然演化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了“應(yīng)用算法—電路架構(gòu)—器件物理域”的三層融合。這標(biāo)志著傅里葉變換硬件架構(gòu)從算法驅(qū)動(dòng)走向物理域驅(qū)動(dòng)的重大跨越，為突破算力與能效困局開(kāi)辟了新路徑。

該成果共同第一作者兼通訊作者、北京大學(xué)人工智能研究院陶耀宇研究員介紹，這一新技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99.2%的傅里葉變換精度，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果顯示，其吞吐率最高可達(dá)504.3GS/s，相比目前最快的硅基芯片提升近4倍，能效提升達(dá)96.98倍，同時(shí)顯著降低了存儲(chǔ)與互連資源的消耗。

該成果第一作者、北京大學(xué)集成電路學(xué)院蔡磊博士進(jìn)一步闡釋了其創(chuàng)新內(nèi)核：“我們開(kāi)創(chuàng)性地提出了一套將易失性與非易失性器件異構(gòu)集成的電路架構(gòu)，利用‘后摩爾新器件’豐富的物理賦能計(jì)算特性?xún)?yōu)勢(shì)，首次實(shí)現(xiàn)了一套硬件架構(gòu)支持電流域、電壓域、頻率域、時(shí)間域等多物理域融合計(jì)算，讓復(fù)雜計(jì)算過(guò)程發(fā)生在‘后摩爾新器件’最適合的物理域中，面向?qū)嶋H應(yīng)用所需的全譜系計(jì)算算子需求，開(kāi)創(chuàng)了‘后摩爾新器件’多物理域異構(gòu)的計(jì)算新范式，有望引領(lǐng)‘后摩爾時(shí)代’新型計(jì)算架構(gòu)發(fā)展的新方向?！?/p>

這一突破性技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。以具身智能機(jī)器人打乒乓球?yàn)槔?，其端?cè)算力需同時(shí)高效處理多種高并發(fā)、高精度任務(wù)，傳統(tǒng)或現(xiàn)有架構(gòu)難以在有限功耗下全面支持如此多種算子的高并發(fā)運(yùn)算。該成果所提出的多物理域融合計(jì)算新范式，有望破解此類(lèi)實(shí)際應(yīng)用的端側(cè)算力瓶頸。

論文通訊作者、北京大學(xué)集成電路學(xué)院楊玉超教授總結(jié)道：“該成果聚焦突破后摩爾新器件的算子譜系擴(kuò)展難題，有望解決當(dāng)前眾多前沿領(lǐng)域的低延遲、低功耗信號(hào)處理與計(jì)算需求。例如，在具身智能落地應(yīng)用中突破端側(cè)算力無(wú)法實(shí)時(shí)和處理高并發(fā)、多模態(tài)信號(hào)的瓶頸；在腦機(jī)接口等生理信號(hào)處理領(lǐng)域，破解長(zhǎng)期存在的信號(hào)處理功耗高所導(dǎo)致的病患需要多次接受創(chuàng)傷性手術(shù)以更換硬件設(shè)備的痛點(diǎn)?！?/p>