Новые горизонты: китайские ученые создали аналоговый чип, который в 1000 раз быстрее современных процессоров

Ученые из Китая разработали новый чип с уникальным подходом: он является аналоговым, что значит, что он выполняет вычисления с помощью физических цепей, а не через бинарные 1 и 0 стандартных цифровых процессоров. По словам его создателей, данный чип способен превосходить по производительности современные графические процессоры (GPU) от Nvidia и AMD до 1000 раз.

В новом исследовании, опубликованном 13 октября в журнале Nature Electronics, исследователи из Пекинского университета заявляют, что их устройство решает две ключевые проблемы: энергетические и данные ограничения, с которыми сталкиваются цифровые чипы в таких новых областях, как искусственный интеллект и 6G, а также «вековую проблему» низкой точности и непрактичности, которая ограничивала аналоговые вычисления.

При решении сложных задач в области связи, включая задачи инверсии матриц, используемые в многоканальных системах (системы большого многоходового ввода-вывода), чип продемонстрировал точность, сопоставимую со стандартными цифровыми процессорами, но с расходом энергии, примерно в 100 раз меньшим.

Ученые заявили, что благодаря небольшим доработкам их устройство не только достигло производительности передовых графических процессоров, таких как Nvidia H100 и AMD Vega 20, но и превзошло их по эффективности в 1000 раз. Эти чипы играют важную роль в обучении моделей ИИ; например, Nvidia H100 является более новой версией графических карт A100, которые использовал OpenAI для обучения ChatGPT.

Новый чип построен на массиве ячеек с произвольным доступом (RRAM), которые хранят и обрабатывают данные, изменяя, как легко электричество проходит через каждую ячейку. В отличие от цифровых процессоров, которые вычисляют в бинарных единицах, аналоговый чип обрабатывает информацию в виде непрерывных электрических токов через свою сеть и избегает затратной энергии на передачу данных между собой и внешними источниками памяти.

С увеличением числа приложений, использующих огромные объемы данных, традиционные цифровые компьютеры сталкиваются с новыми вызовами. Исследователи отмечают, что их аналоговый подход может предложить производительность в 1000 раз выше и в 100 раз лучшую энергоэффективность по сравнению с современными цифровыми процессорами при той же точности.

Возрождение аналогового вычисления

Аналоговое вычисление не является новым — напротив, эту технологию разработали многие века назад. Например, механизмы Антикитера, найденные у берегов Греции в 1901 году, использовали цепи шестерен для выполнения расчетов.

Тем не менее, современная компьютерная история в основном игнорировала аналоговые технологии как непрактичную альтернативу цифровым процессорам. Основная проблема заключается в том, что аналоговые системы зависят от непрерывных физических сигналов, что значительно сложнее контролировать, чем два состояния, с которыми работают цифровые компьютеры.

Однако аналоговые системы имеют свои преимущества в скорости и эффективности. Поскольку им не нужно разбивать вычисления на длинные строки бинарного кода, они могут одновременно обрабатывать большой объем информации, используя при этом гораздо меньше энергии.

Такие преимущества особенно важны в приложениях, требующих значительных данных и энергии, таких как ИИ и будущие 6G-связи, где сети должны будут обрабатывать огромные объемы перекрывающихся беспроводных сигналов в реальном времени.

Исследователи отмечают, что недавние достижения в области памяти могли сделать аналоговые вычисления жизнеспособными снова. Их команда сконфигурировала ячейки RRAM чипа в две цепи: одна обеспечивала быструю, но приблизительную оценку, в то время как вторая дорабатывала и уточняла результат до получения более точного числа.

Этот подход позволил объединить скорость аналоговых вычислений с точностью, которая обычно ассоциируется с цифровыми процессами. Ключевым аспектом является то, что чип был создан с использованием коммерческого процесса производства, что открывает возможность его массового производства.

В будущем исследователи намерены улучшить схемотехнику чипа, чтобы увеличить его производительность и обрабатывать более сложные задачи на более высокой скорости.