多物理域融合 后摩尔时代算力“破壁”

本文转自：人民网

人民网北京1月12日电 （记者赵竹青）近日，北京大学人工智能研究院陶耀宇研究员、集成电路学院杨玉超教授组成的科研团队在国际上首次实现了后摩尔新器件异质集成的多物理域融合傅里叶变换系统。相关成果论文1月9日发表于国际学术期刊《自然·电子》。

当前，传统硅基器件发展已逼近极限，“摩尔定律”进入瓶颈期。以忆阻器、光电器件为代表的“后摩尔新器件”被视为突破算力与能效困局的新希望，但其支持算子种类单一，难以满足实际应用多样化需求。

面对这一挑战，北大团队长期攻坚相关“深水区”，创新地将易失性氧化钒器件与非易失性氧化钽/铪器件进行了系统级异质集成。这一设计充分发挥了两类器件在频率生成调控与存算一体方面的互补优势，实现了在同一硬件平台上对可变基数、均匀或非均匀离散傅里叶变换的统一支持。在保证傅里叶变换精度、降低计算功耗的前提下，可将吞吐率从当前100GS/s级别提升至500GS/s以上。

该成果不仅在计算性能与能效上实现了跨越式提升，更重要的是，它从物理实现层面重新构建了傅里叶变换的计算逻辑：通过后摩尔新器件的物理导电映射与振荡机制频谱生成，将传统由算法与逻辑电路驱动的计算范式转化为由器件物理特性驱动的自然演化过程，从而实现了“应用算法—电路架构—器件物理域”的三层融合。这标志着傅里叶变换硬件架构从算法驱动走向物理域驱动的重大跨越，为突破算力与能效困局开辟了新路径。

该成果共同第一作者兼通讯作者、北京大学人工智能研究院陶耀宇研究员介绍，这一新技术架构实现了高达99.2%的傅里叶变换精度，实验与仿真结果显示，其吞吐率最高可达504.3GS/s，相比目前最快的硅基芯片提升近4倍，能效提升达96.98倍，同时显著降低了存储与互连资源的消耗。

该成果第一作者、北京大学集成电路学院蔡磊博士进一步阐释了其创新内核：“我们开创性地提出了一套将易失性与非易失性器件异构集成的电路架构，利用‘后摩尔新器件’丰富的物理赋能计算特性优势，首次实现了一套硬件架构支持电流域、电压域、频率域、时间域等多物理域融合计算，让复杂计算过程发生在‘后摩尔新器件’最适合的物理域中，面向实际应用所需的全谱系计算算子需求，开创了‘后摩尔新器件’多物理域异构的计算新范式，有望引领‘后摩尔时代’新型计算架构发展的新方向。”

这一突破性技术拥有广阔的应用前景。以具身智能机器人打乒乓球为例，其端侧算力需同时高效处理多种高并发、高精度任务，传统或现有架构难以在有限功耗下全面支持如此多种算子的高并发运算。该成果所提出的多物理域融合计算新范式，有望破解此类实际应用的端侧算力瓶颈。

论文通讯作者、北京大学集成电路学院杨玉超教授总结道：“该成果聚焦突破后摩尔新器件的算子谱系扩展难题，有望解决当前众多前沿领域的低延迟、低功耗信号处理与计算需求。例如，在具身智能落地应用中突破端侧算力无法实时和处理高并发、多模态信号的瓶颈；在脑机接口等生理信号处理领域，破解长期存在的信号处理功耗高所导致的病患需要多次接受创伤性手术以更换硬件设备的痛点。”