Совместная команда Пекинского университета и Шанхайского института микросистем Академии наук Китая разработала первый в мире чип нейродинамики на миллисекундном уровне на основе фазовых мемристоров, что было опубликовано в журнале Science 14 июля. Чип, выполненный по технологии 40 нм, объединяет массивы вычислений в памяти для матричных операций и массивы с дрейфом шага для адаптивного интегрирования, занимая всего 0,28 квадратных миллиметра и обеспечивая задержку в 2,12 миллисекунды за одну итерацию.
Чип коренным образом переопределяет способ вычисления систем нейродинамики. Традиционная архитектура фон Неймана разделяет вычисления и память, заставляя данные многократно перемещаться между процессором и памятью, создавая задержки и энергетические узкие места для итеративного решения дифференциальных уравнений, необходимого в нейродинамике. Команда Пекинского университета подошла к проблеме иначе, используя физические свойства самих устройств фазовой памяти для выполнения вычислений, а не для создания более быстрых цифровых схем.
Фазовые мемристоры обладают непрерывно изменяемой проводимостью, которую можно точно программировать и предсказуемо менять со временем. Команда отобразила поиск адаптивного шага интегрирования, необходимый в решателях нейродинамики, непосредственно на эволюцию проводимости мемристоров. Это означает, что поиск, оценка и корректировка шага, которые цифровые схемы выполняли бы за несколько тактов, происходят посредством физической эволюции внутри самого устройства. Многоуровневое управление проводимостью также позволяет создавать массивы вычислений в памяти с высокой плотностью, которые хранят веса нейронной сети и одновременно выполняют матричные операции в одном массиве.
Экспериментальные результаты демонстрируют преобразующую производительность. По сравнению с самыми передовыми ASIC-ускорителями система обеспечивает ускорение в 3,82–36,27 раза при снижении энергопотребления до 3,9–7,8%. В задачах реконструкции поверхности коры головного мозга с высокой точностью система превосходит GPU NVIDIA A100 в 50,38–478,18 раза. Это первый случай, когда аппаратное обеспечение нейродинамики выведено на миллисекундный уровень работы в реальном времени, что позволяет приложениям, ранее ограниченным офлайн-обработкой, стать возможностями реального времени онлайн.
В журнале Science опубликована сопутствующая перспективная статья, в которой эта работа описывается как смена парадигмы в вычислениях, основанных на физике. Последствия выходят за рамки продемонстрированного приложения моделирования мозга и включают потенциальные интерфейсы мозг-компьютер в реальном времени, цифровые двойники мозга, нейронавигацию для хирургии и интеллектуальную диагностику нейродегенеративных заболеваний. Чип, работающий на частоте 50 МГц с 9-ступенчатым конвейером, демонстрирует, что архитектурные инновации могут обеспечить улучшение на порядки по сравнению с грубым подходом GPU для специализированных вычислительных задач.
Исследование было поддержано программой New Cornerstone Investigator, Национальной ключевой программой НИОКР, Национальным фондом естественных наук и Гуандунской ключевой лабораторией чипов для вычислений в памяти. Чип представляет собой отчетливый китайский вклад в развивающуюся область физически-ориентированных вычислений в памяти, где физика устройства, а не масштабирование по закону Мура, обеспечивает повышение производительности.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Pandaily
