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作者:秦志偉 來源:中國科學報 發布時間:2021/7/9 13:11:42
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迄今最高并行度神經形態計算方案有了

 

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頻分復用神經形態計算方案應用于憶阻器陣列進行大規模并行計算示意圖 繆峰供圖

“計算機處理速度是否有上限?”今年4月《科學》和上海交通大學發布了125個最具挑戰性的前沿科學問題,其中信息科學領域的首個問題便是它。

7月8日,南京大學物理學院教授繆峰合作團隊為解決這一前沿科學問題提供了新思路?!吨袊茖W報》記者獲悉,該團隊利用連續時間的信息加載方式和頻分復用技術,首次提出并實驗驗證了迄今最高并行度的神經形態計算方案。研究成果在線發表于《自然—納米技術》。

處理器的時鐘頻率停止了增長

要回答“計算機處理速度是否有上限”之前,首先要了解計算機處理器速度的上限問題??姺甯嬖V《中國科學報》,在數字計算機中,處理器速度的上限很大程度上由時鐘頻率決定,而時鐘頻率的增加實質上受邏輯狀態(“0”與“1”)翻轉速度的限制。

也就是說,計算過程中不同邏輯狀態之間的切換速度,從物理機制上決定了信息處理速度的上限。

然而,如果要進一步提高處理器的速度將導致嚴重的過熱問題,這也解釋了為什么十多年來,處理器的時鐘頻率已經停止了增長,這也導致傳統計算硬件在有著大規模計算需求的物聯網、自動駕駛等應用場景中面臨巨大挑戰。

例如,面向未來智能駕駛,基于傳統硬件的AI芯片技術的能效比要獲得顯著提升就非常困難。

于是,科學家提出一種應對的思路,即利用并行計算技術,通過提高并行度來提升處理速度的上限。

繆峰表示,常規的多核、多芯片、多板卡并行計算系統均采用“空間換時間”的妥協方式來提高算力,如何利用新的計算硬件和計算方案來實現大規模并行計算,從而實現信息處理速度的不斷提升,是未來計算領域一個備受關注的議題。

提出迄今最高并行度的神經形態計算方案

《西游記》中孫悟空取一根毫毛一吹,就有好多戰斗力不弱的小猴子跑出來幫他打。“那我們在進行信息處理時,能不能靠計算方案的創新,‘仙氣一吹’,就能修煉出特別厲害的‘分身術’?或者說,在探索神經形態計算技術上限的路上,我們能不能打開一個新的維度,讓其計算能力突破我們原本以為的邊界?”繆峰說。

為此,研究團隊從憶阻器交叉陣列入手,基于其可在時間上連續處理信息的特性,提出在頻域上采用頻分復用實現并行計算的方式。

繆峰進一步解釋道,在該方式中,如果將單一頻率的連續信號輸入憶阻器陣列進行計算,輸出的信號會維持單一頻率;如果將多個單頻率信號疊加合成為一個多頻率信號,并輸入憶阻器陣列進行計算,輸出的信號會具有多個頻率。

接下來,研究人員選取一系列正弦波疊加后的信號作為憶阻器交叉陣列的輸入信號,該信號的頻譜會出現多個離散的峰,每個峰均可被用來加載數據。

于是,該團隊提出利用時間上連續的信號作為信息載體,引入頻率維度,提出了迄今最高并行度的神經形態計算方案??姺褰榻B,該計算方案具有并行讀取模式和并行計算模式兩種操作模式。

作為驗證,研究團隊利用兩個級聯的憶阻器交叉陣列,成功實現對16張字母圖片的并行識別。

在繆峰看來,雖然團隊利用憶阻器陣列作為硬件展示,但該頻分復用計算技術可以廣泛應用于相變存儲器、磁隧穿結存儲器、浮柵器件等其他神經形態計算硬件上,為未來人工智能時代填補海量數據計算需求所面臨的算力缺口提供可行的技術途徑。

據悉,該研究得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、中科院先導B等項目的資助,以及固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支持。

相關論文信息:

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00943-y

 
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