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中國芯片突破世紀(jì)難題，模擬計算迎來“換道超車”新機(jī)遇

來源：時間：2025-10-16 15:42:40 瀏覽：4324次

中國芯片突破世紀(jì)難題，模擬計算迎來“換道超車”新機(jī)遇

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

模擬計算

在數(shù)字計算占據(jù)主導(dǎo)地位半個多世紀(jì)后，中國科學(xué)家在新型計算架構(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)隊聯(lián)合集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊，成功研制出基于阻變存儲器的高精度、可擴(kuò)展模擬矩陣計算芯片，首次將模擬計算的精度提升至24位定點(diǎn)精度。這項突破標(biāo)志著困擾全球科學(xué)界的模擬計算“世紀(jì)難題”被攻克，為后摩爾時代的計算范式變革提供了全新路徑。與此同時，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊在智能光子領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。這兩項成果幾乎同步問世，展現(xiàn)了中國在高端芯片領(lǐng)域多方向突破的強(qiáng)勁勢頭。

突破模擬計算瓶頸

模擬計算作為早期計算機(jī)的核心技術(shù)，通過物理定律直接運(yùn)算，具有高并行、低延時、低功耗的先天優(yōu)勢。然而，由于傳統(tǒng)模擬計算精度低、難擴(kuò)展，逐漸被高精度、可編程的數(shù)字計算取代。北京大學(xué)孫仲研究員指出：“如何讓模擬計算兼具高精度與可擴(kuò)展性，從而在現(xiàn)代計算任務(wù)中發(fā)揮其先天優(yōu)勢，一直是困擾全球科學(xué)界的世紀(jì)難題。” 面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊選擇了一條融合創(chuàng)新的道路，通過新型信息器件、原創(chuàng)電路和經(jīng)典算法的協(xié)同設(shè)計，構(gòu)建了一個基于阻變存儲器陣列的高精度、可拓展的全模擬矩陣方程求解器。在計算精度方面，團(tuán)隊成功實(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10次迭代后，相對誤差可低至10??量級。這一精度與當(dāng)前主流數(shù)字處理器相當(dāng)，但能耗和計算時間大幅降低。

技術(shù)性能的飛躍式提升

這款新型模擬矩陣計算芯片的性能表現(xiàn)令人矚目。在計算吞吐量方面，當(dāng)問題規(guī)模擴(kuò)大至128×128時，計算吞吐量達(dá)到頂級數(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，為算力中心能耗問題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。研究團(tuán)隊還提出了塊矩陣模擬計算方法，像拼圖一樣將大問題分解到多個芯片上協(xié)同解決，成功突破了模擬計算的規(guī)模限制。這種創(chuàng)新架構(gòu)使模擬計算首次具備了解決復(fù)雜大規(guī)模問題的能力。

智能光子技術(shù)的并行突破

與此同時，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊在智能光子領(lǐng)域取得了重大突破。團(tuán)隊成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“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)亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級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)同計算。” “玉衡”芯片的快照式成像每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，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日開幕的2025灣區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)博覽會（灣芯展）上，超過600家企業(yè)展示了中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最新成果。展會上，新凱來旗下萬里眼公司發(fā)布了90GHz超高速實(shí)時示波器，將國產(chǎn)示波器性能提升至原有水平的500%，打破了西方國家的技術(shù)封鎖。同時，啟云方發(fā)布了兩款擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)電子工程EDA設(shè)計軟件，產(chǎn)品性能較行業(yè)標(biāo)桿提升30%。華潤微電子黨委書記、董事長何小龍表示：“中國半導(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。” 這一趨勢在灣芯展上得到充分體現(xiàn)，從材料、設(shè)備到設(shè)計工具，多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都展示了國產(chǎn)替代的重要進(jìn)展。

應(yīng)用前景與市場影響

北京大學(xué)開發(fā)的模擬矩陣計算芯片應(yīng)用前景廣闊。孫仲指出，在未來的6G通信領(lǐng)域，它能讓基站以實(shí)時且低能耗方式處理海量天線信號，提升網(wǎng)絡(luò)容量和能效。對于人工智能技術(shù)，這項研究有望加速大模型訓(xùn)練中計算密集的二階優(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)雜信號處理和AI在終端設(shè)備上的直接運(yùn)行，大大降低對云端的依賴，推動邊緣計算邁向新階段。據(jù)中國報告大廳網(wǎng)預(yù)測，到2030年采用類似架構(gòu)的模擬計算芯片市場滲透率有望達(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。

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)，顯示了國內(nèi)在先進(jìn)封裝這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的進(jìn)展。把多個“小芯片”（Chiplet）像樂高一樣拼在一起，既能提升性能，又能降低成本，這種“搭積木”的玩法正在成為國產(chǎn)芯片實(shí)現(xiàn)“逆襲”的新密碼。曾經(jīng)，中國芯片產(chǎn)業(yè)常被戲稱為“被封測的國家”，這背后是我們在芯片設(shè)計、制造、設(shè)備和材料等高端環(huán)節(jié)長期受制于人的無奈。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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