南京大學(xué)類腦智能科技研究中心的研究團隊在模擬存內(nèi)計算領(lǐng)域取得重大突破，研發(fā)出一款基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的高精度模擬存算一體芯片。該芯片通過創(chuàng)新性的計算權(quán)重實現(xiàn)方式，將傳統(tǒng)依賴不穩(wěn)定物理參數(shù)（如器件電阻）的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槔闷骷缀纬叽绫冗@一高度穩(wěn)定的特性，成功突破了模擬計算精度的瓶頸。

研究團隊提出的高精度模擬計算方案，核心在于將模擬信號的運算關(guān)系與器件物理尺寸直接關(guān)聯(lián)。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)建了可編程的計算單元。該單元第一級幾何比例由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，實現(xiàn)輸入電流與8比特權(quán)重的模擬乘法運算。通過陣列化排布這些計算單元，團隊設(shè)計出了一款高精度電流域向量-矩陣乘法芯片。

測試數(shù)據(jù)顯示，該芯片在并行向量矩陣乘法運算中表現(xiàn)出色，均方根誤差僅為0.101%，刷新了模擬計算領(lǐng)域的精度紀錄。相關(guān)成果已發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)?進展》。研究團隊還提出了一種權(quán)值重映射方法，通過最大程度利用器件尺寸比例的穩(wěn)定性，進一步提高了芯片的計算精度。在1500次隨機向量-矩陣乘法實驗中，芯片輸出結(jié)果與理想值幾乎完全一致，相對誤差的均方根僅為0.101%。

這款芯片不僅在常溫下表現(xiàn)優(yōu)異，在極端環(huán)境下也展現(xiàn)出強大的魯棒性。在-78.5℃和180℃的極端溫度條件下，芯片的矩陣計算均方根誤差分別維持在0.155%和0.130%的水平。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%。在強磁場環(huán)境（最高10T）下，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%。這些測試結(jié)果充分證明了該芯片在極端環(huán)境下的可靠性。

在實際應(yīng)用中，這款高精度模擬存算芯片也表現(xiàn)出色。研究團隊測試了芯片在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理任務(wù)中的應(yīng)用效果，利用該芯片執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的全部卷積層和全連接層運算時，在MNIST測試集上的識別準(zhǔn)確率達到97.97%，與64位浮點精度下的軟件識別率相近，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模擬計算硬件。在科學(xué)計算應(yīng)用中，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，與64位浮點精度的結(jié)果高度一致，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。

該方案還具備廣泛的應(yīng)用潛力，可應(yīng)用于各種二值存儲介質(zhì)。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，實現(xiàn)了權(quán)重可編程的模擬乘法運算。這種設(shè)計不僅提高了計算精度，還增強了芯片的適應(yīng)性和靈活性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這款高精度模擬存算芯片有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動模擬計算技術(shù)的進步。