大腦皮層表面那層復(fù)雜的溝回褶皺，想要在計(jì)算機(jī)里實(shí)時(shí)重建，過去需要昂貴的大型計(jì)算設(shè)備離線運(yùn)算良久。如今，這一局面被一顆拇指大小的芯片改寫。北京大學(xué)集成電路學(xué)院教授楊玉超團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員宋志棠團(tuán)隊(duì)，成功研制出全球首款基于相變憶阻器的神經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)芯片，首次將這類復(fù)雜運(yùn)算的單步時(shí)延壓縮至2.12毫秒，在腦皮層重建等任務(wù)中較目前先進(jìn)圖形處理器（GPU）提速達(dá)50至478倍，一舉突破了制約神經(jīng)動力學(xué)長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的實(shí)時(shí)計(jì)算瓶頸。相關(guān)成果3日凌晨發(fā)表于《科學(xué)》。

楊玉超告訴記者，要讓機(jī)器像大腦那樣實(shí)時(shí)建模和理解物理世界，需要一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與微分方程相結(jié)合的“神經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)”。它能在不完整、帶噪聲的數(shù)據(jù)中重建出平滑精確的三維腦結(jié)構(gòu)，應(yīng)用潛力巨大。然而，傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)存在一個(gè)核心瓶頸：存儲與計(jì)算分離，求解過程中海量的中間變量在內(nèi)存和處理器之間反復(fù)“奔波”，如同一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)工廠，大量時(shí)間被浪費(fèi)在搬運(yùn)路途中，不僅延遲巨大，功耗也居高不下。

面對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)從憶阻器本身的物理特性里找到了破局答案。他們利用相變存儲器獨(dú)特的“電導(dǎo)漂移”現(xiàn)象——在一定時(shí)間窗口內(nèi)，其電導(dǎo)變化是可預(yù)測、可精準(zhǔn)調(diào)控的。基于此，團(tuán)隊(duì)提出“可控存內(nèi)計(jì)算”新范式，通俗地講，原本需要復(fù)雜數(shù)字電路反復(fù)執(zhí)行的運(yùn)算、緩存訪問、數(shù)據(jù)搬運(yùn)等工作，現(xiàn)在交給了器件自身的物理規(guī)律去“跑”。

更值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)還將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重映射到相變存儲器的多級電導(dǎo)態(tài)上，在同一個(gè)陣列內(nèi)同步完成矩陣乘加運(yùn)算。兩大核心計(jì)算任務(wù)由此被統(tǒng)一集成在總面積僅0.28平方毫米的存算陣列中。這顆采用40納米工藝的芯片實(shí)現(xiàn)了2.12毫秒的單次迭代時(shí)延，首次將神經(jīng)動力學(xué)硬件推入毫秒時(shí)代。

“性能表現(xiàn)令人振奮�！睏钣癯�表��，在同等運(yùn)算下，該芯片較當(dāng)前最先進(jìn)的專用加速器速度提升3.82至36.27倍，功耗大幅降低；在腦皮層表面高保真重建任務(wù)中，該芯片較國外先進(jìn)GPU提速達(dá)478.18倍。重建出的腦皮層網(wǎng)格平滑、拓?fù)湟恢拢�能精�?zhǔn)刻畫復(fù)雜的褶皺結(jié)構(gòu)，并有效抑制傳統(tǒng)方法中的偽影和自相交缺陷。

楊玉超說，這一突破為腦機(jī)接口和腦疾病診療開啟了全新想象空間。未來，個(gè)體化、動態(tài)化的腦數(shù)字孿生成為可能，術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航、阿爾茨海默病早篩及個(gè)性化干預(yù)等，將獲得可實(shí)時(shí)運(yùn)行的硬件底座。

●新知解碼

什么是“可控存內(nèi)計(jì)算”

如果把傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比作一間辦公室，處理器是坐在中央的“計(jì)算員”，存儲器則是滿墻的“檔案柜”。每次計(jì)算，計(jì)算員都得起身取數(shù)據(jù)，算完再回去——時(shí)間都花在了路上。這就是著名的“馮·諾依曼瓶頸”：存儲與計(jì)算分離，數(shù)據(jù)搬運(yùn)拖垮效率。

“存內(nèi)計(jì)算”思路直接：讓檔案柜自己學(xué)會算賬。數(shù)據(jù)不再需要搬來搬去，而是在存儲單元內(nèi)部原地完成計(jì)算。這聽起來完美，但實(shí)現(xiàn)起來困難重重——存儲單元天生只會“記”，讓它同時(shí)“算”，還得算得準(zhǔn)、算得穩(wěn)，已是很大的挑戰(zhàn)。

更大的難題在于“可控”。計(jì)算時(shí)很多任務(wù)需要動態(tài)調(diào)整、相機(jī)判斷。如何讓一堆物理器件具備“臨場應(yīng)變”能力，是存內(nèi)計(jì)算走向現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵門檻。

突破口來自一個(gè)“反科學(xué)直覺”的思路：利用器件電導(dǎo)會規(guī)律性漂移這一曾被視作“缺陷”的特性。如果摸清它的變化軌道，這種漂移就能被馴化為計(jì)算能力——不再用數(shù)字電路反復(fù)讀寫比較，而是讓物理過程本身完成運(yùn)算。

這便是“可控存內(nèi)計(jì)算”的核心思想：讓存儲單元在“記”的同時(shí)，按設(shè)計(jì)者設(shè)定的方式、在可約束的范圍內(nèi)完成“算”。存儲即計(jì)算，且整個(gè)過程精準(zhǔn)可控。基于這一范式研制的芯片，能將復(fù)雜運(yùn)算壓縮到毫秒級別，能效提升數(shù)十甚至數(shù)百倍。

人民網(wǎng)>>經(jīng)濟(jì)·科技  2026年07月04日

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