Исследовательская группа под руководством профессора Ян Юйчао из Школы интегральных схем Пекинского университета в сотрудничестве с Шанхайским институтом микросистем и информационных технологий Китайской академии наук опубликовала эпохальную статью в журнале Science под названием «Нейродинамическая система с задержкой менее 10 миллисекунд на основе мемристоров с изменением фазы» (A sub-10-millisecond neural dynamical system based on phase change memristors). Эта работа представляет собой первый в мире чип нейродинамической системы, созданный на основе технологии мемристоров с изменением фазы.
Чип представляет парадигму «управляемых вычислений в памяти» (controlled in-memory computing), которая коренным образом переосмысливает архитектуру фон Неймана. В традиционных вычислениях огромные объемы промежуточных переменных должны постоянно перемещаться между памятью и процессором, что создает критические задержки и энергетические накладные расходы. Новый подход позволяет самой физической эволюции материала памяти выполнять вычисления, полностью устраняя узкое место, связанное с перемещением данных.
Точно контролируя дрейф проводимости и многоуровневые свойства фазопереходных материалов, команда создала механизм, в котором изменение физического состояния самого устройства представляет собой вычислительные шаги. Чип достигает задержки одношагового вычисления всего в 2,12 миллисекунды, впервые перенося производительность оборудования нейродинамики в миллисекундную эпоху.
Чип, изготовленный по 40-нм техпроцессу, отводит всего 0,28 квадратных миллиметра на вычисления в памяти и массивы пошагового дрейфа, работая на частоте 50 МГц всего с 9 конвейерными стадиями на каждый интеграционный шаг. В операциях нейродинамики система обеспечивает повышение скорости в 3,82–36,27 раза при снижении энергопотребления в 11,75–24,73 раза по сравнению с передовыми ASIC-ускорителями. При выполнении задач реконструкции поверхности коры головного мозга чип обеспечивает ускорение до 478,18 раза по сравнению с графическими процессорами NVIDIA A100.
Команда продемонстрировала работу чипа на примере реконструкции поверхности белого и серого вещества коры головного мозга в реальном времени с генерацией трехмерных сеток многообразий. Система создает гладкие, замкнутые, топологически согласованные кортикальные поверхности, точно улавливая сложные структуры извилин. Результаты показали преимущества как по метрикам среднего симметричного расстояния до поверхности (Average Symmetric Surface Distance), так и по расстоянию Хаусдорфа (Hausdorff Distance), удовлетворяя требованиям высокоточной моделирования мозга.
Журнал Science опубликовал статью-перспективу (Perspective) параллельно с основной работой, высоко оценив ее как «смену парадигмы в физически управляемых вычислениях». Этот прорыв имеет огромное значение для интерфейсов мозг-компьютер, цифровых двойников мозга, интраоперационной нейронавигации и раннего скрининга нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Проект был поддержан программами New Cornerstone Investigator Program, National Key R&D Program и Национальным фондом естественных наук Китая.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Pandaily
