【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】模擬計算作為一種不同于傳統(tǒng)數(shù)字計算的范式，可直接利用物理定律進行運算，在能效和速度方面具備明顯優(yōu)勢，因此近年來在AI硬件領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。盡管模擬計算硬件有能效和速度的優(yōu)勢，但當前仍普遍面臨計算精度低、計算穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)。這主要源于現(xiàn)有模擬硬件的計算方案高度依賴器件的內(nèi)在物理參數(shù)(如電阻值)，這些物理參數(shù)在每次編程時往往存在較大隨機偏差，且極易受到環(huán)境因素(如溫度)的影響。上述特性使得現(xiàn)有模擬計算精度難以提高，成為制約其走向應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
面對上述挑戰(zhàn)，近日，南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授和梁世軍教授團隊提出了一種高精度模擬計算方案。該方案創(chuàng)新性地將模擬計算權(quán)重的實現(xiàn)方式從不穩(wěn)定、易受環(huán)境干擾的物理參數(shù)(例如器件電阻)轉(zhuǎn)向高度穩(wěn)定的器件幾何尺寸比，從根本上突破了限制模擬計算精度的瓶頸。基于這一思想，團隊設(shè)計并驗證了一款基于標準CMOS工藝的模擬存內(nèi)計算芯片。結(jié)合權(quán)值重映射技術(shù)，該芯片在并行向量矩陣乘法運算中實現(xiàn)了僅0.101%的均方根誤差，創(chuàng)下了模擬向量-矩陣乘法運算精度的最高紀錄。值得強調(diào)的是，該芯片在-78.5°C和180°C的極端環(huán)境下依然能穩(wěn)定運行，矩陣計算的均方根誤差分別維持在0.155%和0.130%的水平，展現(xiàn)出在極端環(huán)境下保持計算精度的優(yōu)秀能力。不僅如此，該方案還可應(yīng)用于各種二值存儲介質(zhì)，因而具備廣泛的應(yīng)用潛力。
本研究的核心思想是將模擬計算權(quán)重的實現(xiàn)方式從器件參數(shù)轉(zhuǎn)向器件的幾何比例(圖1A)，利用器件幾何比例在制備完成后具備極高穩(wěn)定性的特點，實現(xiàn)高精度計算(圖1B)。基于這一思想，研究團隊通過電路拓撲設(shè)計，結(jié)合存儲單元和開關(guān)器件，構(gòu)建了可編程的計算單元(圖1C)。該單元通過兩級依賴尺寸比例的電流拷貝電路實現(xiàn)輸入電流與8比特權(quán)重的乘法運算：第一級的幾何比例由8位存儲器控制；第二級為固定比例，為不同列上的第一級輸出電流賦予對應(yīng)的二進制權(quán)重。兩級共同作用，決定計算單元的整體等效比例，從而實現(xiàn)權(quán)重可編程的模擬乘法運算。通過陣列化排布這些計算單元，研究團隊設(shè)計出了一款高精度電流域向量-矩陣乘法芯片(圖1D)。
圖1：高精度模擬計算方案與電路結(jié)構(gòu)。(A) 概念示意圖。本方案利用器件的物理尺寸決定模擬信號的運算關(guān)系。(B) 實現(xiàn)效果示意圖。利用器件物理尺寸的穩(wěn)定性，本方案可實現(xiàn)超越傳統(tǒng)方案的計算精度。(C) 計算單元原理圖。通過兩級依賴尺寸比例的電流拷貝電路設(shè)計，結(jié)合存儲單元和開關(guān)器件，構(gòu)建了等效尺寸比例可編程的計算單元，實現(xiàn)輸入電流與8比特權(quán)重的模擬乘法運算。(D) 計算陣列原理圖。通過陣列化排布計算單元，設(shè)計高精度電流域向量-矩陣乘法芯片。
隨后，研究團隊基于180 nm CMOS工藝對該方案進行了流片驗證。芯片照片與測試電路如圖2A所示。研究團隊通過執(zhí)行多輪隨機向量-矩陣乘法充分測試了該芯片的計算精度。測試使用的矩陣規(guī)模為64×32(圖2B)，總共由4塊芯片組成。同時，研究團隊提出了一種權(quán)值重映射方法(圖2C)，可以最大程度利用器件尺寸比例的穩(wěn)定性，從而進一步提高芯片的計算精度。在1500次隨機向量-矩陣乘法實驗中，測量到的芯片輸出結(jié)果與理想值幾乎完全一致(圖2D)，體現(xiàn)出極高的計算精度。進一步的統(tǒng)計結(jié)果顯示，芯片計算相對誤差的均方根僅為0.101%(圖2E)，刷新了模擬計算領(lǐng)域的最高精度紀錄。與其他模擬計算方案相比，本芯片的計算精度顯著提高(圖2F)。
圖2：高精度模擬向量-矩陣乘法測試。(A) 芯片和測試電路照片。(B) 模擬向量-矩陣乘法精度測試電路原理圖。(C)權(quán)值重映射方法示意圖。該方法能進一步提高芯片計算精度。(D) 1500組隨機向量-矩陣乘法結(jié)果。理想輸出與實際輸出幾乎重合。(E) 歸一化計算誤差的分布圖，統(tǒng)計得其均方根僅為0.101%。(F) 本芯片與其他先進模擬計算方案的精度對比。
該芯片具有的超高模擬向量-矩陣乘法精度，使得其在實際應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。研究團隊首先測試了芯片在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理任務(wù)中的應(yīng)用效果：利用團隊研發(fā)的高精度模擬存算芯片執(zhí)行圖3A所示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的全部卷積層和全連接層運算時，在MNIST測試集上識別準確率達到97.97%(圖3C)，這與64位浮點精度下的軟件識別率相近(-0.49%)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模擬計算硬件(+3.82%)。進一步，團隊測試了該芯片在科學(xué)計算應(yīng)用中的表現(xiàn)。研究團隊利用高精度模擬存算芯片求解納維–斯托克斯方程，以模擬流體流動行為。經(jīng)實驗測試，芯片計算出的流體運動結(jié)果(圖3D)與64位浮點精度的結(jié)果高度一致(圖3E)，而傳統(tǒng)低精度模擬計算硬件在執(zhí)行相同任務(wù)時則無法得到正確的結(jié)果(圖3F)。
圖3：高精度模擬計算芯片的應(yīng)用表現(xiàn)。(A) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)集。(B) 在MNIST測試集上識別結(jié)果的混淆矩陣，識別率達到97.97%。(C) 準確率對比。高精度模擬計算芯片測試結(jié)果與64位浮點精度下的軟件識別率相近(-0.49%)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模擬計算硬件(+3.82%)。(D) 高精度模擬計算芯片求解納維–斯托克斯方程得到的流體行為預(yù)測結(jié)果。(E) 64位浮點精度下的軟件計算結(jié)果，本芯片結(jié)果與其高度一致。(F) 低精度模擬計算硬件的結(jié)果無法準確反映流體行為。
研究團隊不僅測試了該模擬存算芯片的超高計算精度，還驗證了這一芯片在極端環(huán)境中有效保持計算精度的魯棒性。即使在外界環(huán)境變化條件下，器件的幾何比例依然能保持恒定，這使得本芯片在極端環(huán)境中仍然能保持較高的計算精度。研究團隊在-78.5℃和180℃下利用該模擬存算芯片執(zhí)行模擬向量-矩陣乘法運算測試，測得相對誤差的均方根分別僅為0.155%和0.130%(圖4A、B)。在更寬溫區(qū)(-173.15℃至286.85℃)的測試中，芯片核心單元輸出電流相較于常溫條件的最大偏差僅為1.47%(圖4C-F)。此外，研究團隊也在強磁場環(huán)境(最高10 T)中對芯片輸出電流進行了測量。結(jié)果顯示，芯片核心單元的輸出電流相較于無磁場條件的變化不超過0.21%(圖4G-J)。上述結(jié)果充分說明了團隊所提出的高精度模擬計算方案在極端環(huán)境下的可靠性。
圖4：高精度模擬計算芯片的魯棒性測試。(A) 低溫下(-78.5℃)芯片的向量-矩陣乘法精度測試結(jié)果。測得芯片輸出的相對誤差均方根為0.155%。(B) 高溫下(180℃)芯片的向量-矩陣乘法精度測試結(jié)果。測得芯片輸出的相對誤差均方根為0.130%。(C) 將芯片核心單元置于更寬溫區(qū)(-173.15℃至286.85℃)進行測試的示意圖。(D)-(F) 寬溫區(qū)下的輸出電流測量結(jié)果。相對于常溫條件，輸出電流偏差不超過1.47%。(G) 將芯片核心單元置于強磁場(最高10 T)下進行精度測試的示意圖。(H)-(J) 強磁場下的輸出電流測量結(jié)果。相對于零磁場條件，輸出電流偏差不超過0.21%。
相關(guān)研究成果以“Ultrahigh-precision analog computing using memory-switching geometric ratio of transistors”(基于器件尺寸比例穩(wěn)定性的超高精度模擬計算方案)為題，于2025年9月12日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Science Advances《科學(xué)·進展》上。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生楊董行健、博士后王聰、博士生趙懿晨為該工作的共同第一作者，繆峰教授、梁世軍教授、王聰博士后為該工作的共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)項目基金、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究重大專項，以及南京大學(xué)AI & AI for Science項目的支持。
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