Китайская команда разработала нейрочип на основе фазовых мемристоров с задержкой 2,12 мс

Репортаж от Wedoany，Команда Ян Юйчао совместно с командой Сун Чжитана из Шанхайского института микросистем и информационных технологий Китайской академии наук успешно разработала первую в мире нейродинамическую систему на основе фазовых мемристоровчип, впервые сократив задержку одного шага таких сложных вычислений до 2,12 мс. В задачах реконструкции коры головного мозга этот чип в 50–478 раз быстрее современных графических процессоров (GPU). Соответствующие результаты были опубликованы 3-го числа в журнале Science.

Ян Юйчао, исследователь программы New Cornerstone и профессор Школы интегральных схем Пекинского университета, пояснил, что для того, чтобы машины могли моделировать и понимать физический мир в реальном времени, как мозг, необходима «нейродинамическая система», объединяющая нейронные сети с дифференциальными уравнениями. Такая система способна восстанавливать гладкие и точные трёхмерные структуры мозга из неполных и зашумлённых данных, обладая огромным потенциалом применения. Однако традиционные вычислительные архитектуры сталкиваются с узким местом разделения памяти и вычислений: огромное количество промежуточных переменных в процессе решения многократно перемещается между памятью и процессором, что приводит к значительным задержкам и высокому энергопотреблению.

Исследовательская группа нашла решение в физических свойствах мемристоров. Они использовали уникальное явление «дрейфа проводимости» в фазовой памяти, при котором изменение проводимости в определённом временном окне является предсказуемым и точно регулируемым. На этой основе команда предложила новую парадигму «управляемых вычислений в памяти», где наиболее затратный по времени этап поиска адаптивного шага в решении динамических систем напрямую кодируется как физический процесс эволюции проводимости устройства, выполняя вычисления внутри ячейки памяти. Одновременно команда отобразила веса нейронной сети на многоуровневые состояния проводимости фазовой памяти, синхронно выполняя операции матричного умножения и сложения в одном массиве. Две основные вычислительные задачи были объединены в массиве памяти общей площадью всего 0,28 мм². Этот чип, изготовленный по 40-нм технологии, работает на частоте 50 МГц, требует всего 9 конвейерных этапов для одного шага интегрирования и достигает задержки одной итерации в 2,12 мс, впервые переводя нейродинамическое оборудование в миллисекундную эру.

Ян Юйчао отметил, что при одинаковых вычислениях этот чип в 3,82–36,27 раза быстрее современных специализированных ускорителей и потребляет в 11,75–24,73 раза меньше энергии. В задаче высокоточной реконструкции поверхности коры головного мозга он в 50,38–478,18 раза быстрее, чем NVIDIA A100 GPU. Восстановленная сетка коры головного мозга гладкая, топологически согласованная, точно воспроизводит сложные складчатые структуры и эффективно подавляет артефакты и самопересечения, характерные для традиционных методов. Этот прорыв открывает новые возможности для интерфейсов «мозг-компьютер» и диагностики и лечения заболеваний мозга. В будущем персонализированные и динамические цифровые двойники мозга, а также интраоперационная нейронавигация, ранний скрининг болезни Альцгеймера и персонализированные вмешательства получат аппаратную основу, работающую в реальном времени.