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中國(guó)芯片突破世紀(jì)難題，模擬計(jì)算迎來(lái)“換道超車”新機(jī)遇

來(lái)源：時(shí)間：2025-10-16 15:42:40 瀏覽：4285次

中國(guó)芯片突破世紀(jì)難題，模擬計(jì)算迎來(lái)“換道超車”新機(jī)遇

傳統(tǒng)GPU需運(yùn)行一整天的計(jì)算任務(wù)，新型芯片只需一分鐘就能完成，這一顛覆性突破來(lái)自中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新智慧。

模擬計(jì)算

在數(shù)字計(jì)算占據(jù)主導(dǎo)地位半個(gè)多世紀(jì)后，中國(guó)科學(xué)家在新型計(jì)算架構(gòu)上取得了重大突破。北京大學(xué)人工智能研究院孫仲團(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，首次將模擬計(jì)算的精度提升至24位定點(diǎn)精度。這項(xiàng)突破標(biāo)志著困擾全球科學(xué)界的模擬計(jì)算“世紀(jì)難題”被攻克，為后摩爾時(shí)代的計(jì)算范式變革提供了全新路徑。與此同時(shí)，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，成功研制出全球首款亞埃米級(jí)快照光譜成像芯片“玉衡”。這兩項(xiàng)成果幾乎同步問(wèn)世，展現(xiàn)了中國(guó)在高端芯片領(lǐng)域多方向突破的強(qiáng)勁勢(shì)頭。

突破模擬計(jì)算瓶頸

模擬計(jì)算作為早期計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)，通過(guò)物理定律直接運(yùn)算，具有高并行、低延時(shí)、低功耗的先天優(yōu)勢(shì)。然而，由于傳統(tǒng)模擬計(jì)算精度低、難擴(kuò)展，逐漸被高精度、可編程的數(shù)字計(jì)算取代。北京大學(xué)孫仲研究員指出：“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。” 面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(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。在計(jì)算精度方面，團(tuán)隊(duì)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??量級(jí)。這一精度與當(dāng)前主流數(shù)字處理器相當(dāng)，但能耗和計(jì)算時(shí)間大幅降低。

技術(shù)性能的飛躍式提升

這款新型模擬矩陣計(jì)算芯片的性能表現(xiàn)令人矚目。在計(jì)算吞吐量方面，當(dāng)問(wèn)題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時(shí)，計(jì)算吞吐量達(dá)到頂級(jí)數(shù)字處理器的1000倍以上。能效提升同樣顯著，在相同精度下，該技術(shù)的能效比傳統(tǒng)數(shù)字處理器提升超100倍。這意味著原本需要傳統(tǒng)GPU運(yùn)行一天的計(jì)算任務(wù)，這款新型芯片一分鐘內(nèi)即可完成，為算力中心能耗問(wèn)題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。研究團(tuán)隊(duì)還提出了塊矩陣模擬計(jì)算方法，像拼圖一樣將大問(wèn)題分解到多個(gè)芯片上協(xié)同解決，成功突破了模擬計(jì)算的規(guī)模限制。這種創(chuàng)新架構(gòu)使模擬計(jì)算首次具備了解決復(fù)雜大規(guī)模問(wèn)題的能力。

智能光子技術(shù)的并行突破

與此同時(shí)，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域取得了重大突破。團(tuán)隊(duì)成功研制出全球首款亞埃米級(jí)快照光譜成像芯片“玉衡”。這款芯片僅約2厘米×2厘米×0.5厘米，卻可在400—1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)光譜分辨率、千萬(wàn)像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像。方璐教授表示：“我們提出可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，將物理分光限制轉(zhuǎn)化為光子調(diào)制與重建過(guò)程，挖掘隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算。” “玉衡”芯片的快照式成像每秒可獲取近萬(wàn)顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以內(nèi)。

產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展

中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅在前沿研究領(lǐng)域取得突破，在全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控方面也進(jìn)展顯著。10月15日開(kāi)幕的2025灣區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)博覽會(huì)（灣芯展）上，超過(guò)600家企業(yè)展示了中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最新成果。展會(huì)上，新凱來(lái)旗下萬(wàn)里眼公司發(fā)布了90GHz超高速實(shí)時(shí)示波器，將國(guó)產(chǎn)示波器性能提升至原有水平的500%，打破了西方國(guó)家的技術(shù)封鎖。同時(shí)，啟云方發(fā)布了兩款擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)電子工程EDA設(shè)計(jì)軟件，產(chǎn)品性能較行業(yè)標(biāo)桿提升30%。華潤(rùn)微電子黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)何小龍表示：“中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正逐步實(shí)現(xiàn)從原材料到下游應(yīng)用的全鏈條自主可控。” 這一趨勢(shì)在灣芯展上得到充分體現(xiàn)，從材料、設(shè)備到設(shè)計(jì)工具，多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)都展示了國(guó)產(chǎn)替代的重要進(jìn)展。

應(yīng)用前景與市場(chǎng)影響

北京大學(xué)開(kāi)發(fā)的模擬矩陣計(jì)算芯片應(yīng)用前景廣闊。孫仲指出，在未來(lái)的6G通信領(lǐng)域，它能讓基站以實(shí)時(shí)且低能耗方式處理海量天線信號(hào)，提升網(wǎng)絡(luò)容量和能效。對(duì)于人工智能技術(shù)，這項(xiàng)研究有望加速大模型訓(xùn)練中計(jì)算密集的二階優(yōu)化算法，從而顯著提升訓(xùn)練效率。低功耗特性也將支持復(fù)雜信號(hào)處理和AI在終端設(shè)備上的直接運(yùn)行，大大降低對(duì)云端的依賴，推動(dòng)邊緣計(jì)算邁向新階段。據(jù)中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)預(yù)測(cè)，到2030年采用類似架構(gòu)的模擬計(jì)算芯片市場(chǎng)滲透率有望達(dá)到18%，形成超500億美元規(guī)模的新賽道。這一突破將推動(dòng)從EDA工具、封裝工藝到系統(tǒng)軟件配套的全產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)。

從技術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)生態(tài)

盡管實(shí)驗(yàn)室成果顯著，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍需跨越技術(shù)適配性驗(yàn)證和制造工藝優(yōu)化兩大關(guān)卡。當(dāng)前原型芯片已完成16×16至128×128陣列的可擴(kuò)展性驗(yàn)證，下一步需要建立跨尺度設(shè)計(jì)方法論，并解決量產(chǎn)良率控制、系統(tǒng)集成等工程難題。中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在加速完善。灣芯展上展示的Chiplet與先進(jìn)封裝生態(tài)專區(qū)，顯示了國(guó)內(nèi)在先進(jìn)封裝這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的進(jìn)展。把多個(gè)“小芯片”（Chiplet）像樂(lè)高一樣拼在一起，既能提升性能，又能降低成本，這種“搭積木”的玩法正在成為國(guó)產(chǎn)芯片實(shí)現(xiàn)“逆襲”的新密碼。曾經(jīng)，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)常被戲稱為“被封測(cè)的國(guó)家”，這背后是我們?cè)谛酒O(shè)計(jì)、制造、設(shè)備和材料等高端環(huán)節(jié)長(zhǎng)期受制于人的無(wú)奈。如今，隨著多點(diǎn)攻克，這幅產(chǎn)業(yè)圖景正在被迅速重構(gòu)。

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