Съвместен екип от Пекинския университет и Шанхайския институт по микросистеми на Китайската академия на науките разработи първия в света чип за невронна динамика на ниво милисекунда, базиран на мемристори с фазова промяна, публикуван в Science на 14 юли. 40nm чипът интегрира изчислителни масиви в паметта за матрични операции и масиви със стъпка дрейф за адаптивна интеграция, заемайки само 0,28 квадратни милиметра, като същевременно се постига 2,12 милисекунди латентност на една итерация.
Чипът фундаментално предефинира начина, по който се изчисляват системите за невронна динамика. Традиционната архитектура на фон Нойман разделя изчисленията от паметта, принуждавайки данните да се прехвърлят многократно между процесора и паметта, създавайки забавяне и енергийни пречки за решаването на итеративно диференциално уравнение, изисквано в невронната динамика. Екипът на Пекинския университет подходи към проблема по различен начин, използвайки физическите свойства на самите устройства с памет с фазова промяна, за да извършват изчисления, вместо да изграждат по-бързи цифрови схеми.
Мемристорите с промяна на фазата показват непрекъснато променлива проводимост, която може да бъде прецизно програмирана и предсказуемо да се развива с течение на времето. Екипът картографира търсенето на стъпки за адаптивна интеграция, изисквано в решаващите устройства за невронна динамика, директно върху еволюцията на проводимостта на мемристорите. Това означава, че търсенето, преценката и настройката на размера на стъпките, които цифровите схеми биха изпълнили чрез множество тактови цикли, се случва чрез физическа еволюция в самото устройство. Многостепенният контрол на проводимостта също позволява изчислителни масиви с висока плътност в паметта, които съхраняват тегла на невронни мрежи и изпълняват матрични операции едновременно в рамките на един и същи масив.
Експерименталните резултати демонстрират трансформираща производителност. В сравнение с най-модерните ASIC ускорители, системата постига 3,82 до 36,27 пъти ускоряване с намалена консумация на енергия до 3,9-7,8%. При висококачествени задачи за реконструкция на повърхността на мозъчната кора системата превъзхожда NVIDIA A100 GPU с 50,38 до 478,18 пъти. Това представлява първият път, когато хардуерът за невронна динамика е насочен към работа в реално време на ниво милисекунди, позволявайки на приложения, които преди това са били ограничени до офлайн обработка, да се превърнат в онлайн възможности в реално време.
Science публикува придружаваща перспективна статия, описваща работата като представляваща промяна на парадигмата в базираните на физиката изчисления. Последствията се простират отвъд демонстрираното приложение за моделиране на мозъка до потенциални интерфейси мозък-компютър в реално време, мозъчни цифрови близнаци, невронна навигация за хирургия и интелигентна диагностика на невродегенеративни заболявания. Чипът, работещ на 50 MHz с 9-етапна конвейерна обработка, демонстрира, че архитектурните иновации могат да осигурят подобрение от порядък на величина в сравнение с грубите GPU подходи за специализирани изчислителни задачи.
Изследването беше подкрепено от програмата New Cornerstone Investigator, Националната ключова научноизследователска и развойна програма, Националната природонаучна фондация и ключовата лаборатория на Гуангдонг за компютърни чипове в паметта. Чипът представлява ясно изразен китайски принос към нововъзникващото поле на базирани на физика изчисления в паметта, където физиката на устройството, а не скалирането по закона на Мур, води до подобряване на производителността.