10 月 11 日消息，南京大學類腦智能科技研究中心研究團隊提出了一種高精度模擬存內計算方案，并以此為基礎，研發(fā)出一款基于互補金屬氧化物半導體工藝的模擬存算一體芯片。

該方案將模擬計算權重的實現(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）轉向高度穩(wěn)定的器件幾何尺寸比，突破了限制模擬計算精度的瓶頸。

測試數(shù)據(jù)表明，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。相關成果已于 9 月 12 日刊發(fā)于國際學術期刊《科學?進展》。

據(jù)介紹，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，該方案還可應用于各種二值存儲介質，因而具備廣泛的應用潛力。

▲ 圖 1：高精度模擬計算方案與電路結構。(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計，結合存儲單元和開關器件，構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，設計高精度電流域向量-矩陣乘法芯片。

本研究的核心思想是將模擬計算權重的實現(xiàn)方式從器件參數(shù)轉向器件的幾何比例（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）?；谶@一思想，研究團隊通過電路拓撲設計，結合存儲單元和開關器件，構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的二進制權重。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，研究團隊設計出了一款高精度電流域向量-矩陣乘法芯片（圖 1D）。

▲ 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。

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 3：高精度模擬計算芯片的應用表現(xiàn)。(A) 神經(jīng)網(wǎng)絡結構與數(shù)據(jù)集。(B) 在 MNIST 測試集上識別結果的混淆矩陣，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測結果。(E) 64 位浮點精度下的軟件計算結果，本芯片結果與其高度一致。(F) 低精度模擬計算硬件的結果無法準確反映流體行為。

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)絡推理任務中的應用效果：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計算應用中的表現(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果（圖 3D）與 64 位浮點精度的結果高度一致（圖 3E），而傳統(tǒng)低精度模擬計算硬件在執(zhí)行相同任務時則無法得到正確的結果（圖 3F）。

▲ 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果。相對于零磁場條件，輸出電流偏差不超過 0.21%。

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。