北京大學團隊在多物理域融合計算架構領域取得突破

北京大學人工智能研究院研究員陶耀宇、集成電路學院教授楊玉超組成的科研團隊，在國際上首次實現了后摩爾新器件異質集成的多物理域融合傅里葉變換系統，實現在同一硬件平臺上對可變基數、均勻或非均勻離散傅里葉變換的統一支持，并提出突破當前傅里葉變換系統速度與功耗瓶頸的關鍵技術，標志著傅里葉變換硬件架構從算法驅動走向物理域驅動的重大跨越。1月9日，相關論文發表于《自然-電子》。

傳統硅基器件經過近幾十年的發展已逼近極限，隨著大模型、具身智能、腦機接口等新型計算場景不斷涌現，對大吞吐、高精度、高并發、多種異構計算的要求愈發提高，面臨“微縮、功耗、存儲”三堵難以逾越的高墻，“摩爾定律”已進入瓶頸期。

在后摩爾時代，以憶阻器、光電器件為代表的“后摩爾新器件”憑借獨特的物理賦能計算特性，被視為突破算力與能效困局的最大希望。然而，盡管多種后摩爾新器件在矩陣乘加等簡單線性算子上具有顯著優勢，但由于支持算子種類單一，無法適配實際應用中多樣化的計算方式需求，導致這些前沿技術始終難以跨越“從實驗室到市場”的鴻溝。

可以說，拓展可支持的算子譜系不僅是后摩爾新器件芯片研發與實用化落地的“深水區”，更是我國實現底層算力突破必須啃下的“硬骨頭”和必須攻克的“強堡壘”。

在此背景下，科研團隊前期已突破多種復雜算子的后摩爾新器件多物理域電路與架構設計，并已在國際上首次攻克了基于后摩爾新器件的排序等典型瓶頸算子。

科研團隊進一步瞄準傅里葉變換這一現代科學與工程中的基礎性數學變換，創新地將易失性氧化釩器件與非易失性氧化鉭/鉿器件進行了系統級異質集成，充分發揮了兩類后摩爾新器件在頻率生成調控與存算一體方面的互補優勢，在保證傅里葉變換精度、降低計算功耗的前提下，可將吞吐率從當前100GS/s級別提升至500GS/s以上。

該成果不僅在計算性能與能效上實現了跨越式提升，更重要的是從物理實現層面重新構建了傅里葉變換的計算邏輯，通過后摩爾新器件的物理導電映射與振蕩機制頻譜生成，將傳統由算法與邏輯電路驅動的計算范式轉化為由器件物理特性驅動的自然演化過程，從而實現了“應用算法—電路架構—器件物理域”的三層融合。

以具身智能機器人打乒乓球為例，這一看似簡單的任務給信號處理提出了地獄級難題。機器人要完成判斷來球的速度、角度、旋轉，計算回球的速度、角度、旋轉、擊球點、球的落點，完成本體控制與姿態調整等一系列高并發、高精準度要求的復雜任務。在這一過程中端側算力要同時高效地處理視覺信號、聽覺信號、觸覺信號、位置信息等多模態信號，還要做出一系列信號處理、認知推理、運動規劃、人機互動等多種交互任務。這要求端側計算架構全面支持排序、傅里葉變換、距離度量、矩陣操作等多種核心算子。傳統硅基CMOS計算架構難以在有限功耗預算下支持如此多種算子的高并發運算，而目前已有的“后摩爾新器件”計算架構尚無法覆蓋信號處理與人工智能計算所涉及的全部算子譜。

“我們開創性提出一套將易失性與非易失性器件異構集成的電路架構，利用‘后摩爾新器件’豐富的物理賦能計算特性優勢，首次實現了一套硬件架構支持電流域、電壓域、頻率域、時間域等多物理域融合計算，讓復雜計算過程發生在‘后摩爾新器件’最適合的物理域中，面向實際應用所需的全譜系計算算子需求，開創了‘后摩爾新器件’多物理域異構的計算新范式，將引領“后摩爾時代”新型計算架構發展的新方向。論文第一作者、北京大學集成電路學院蔡磊博士說。

論文共同第一作者兼通訊作者陶耀宇介紹：“這一新技術架構實現了高達99.2%的傅里葉變換精度，實驗與仿真結果顯示，其吞吐率最高可達504.3GS/s，相比目前最快的硅基芯片提升近4倍，能效提升達96.98倍，同時顯著降低了存儲與互連資源的消耗。”

論文通訊作者楊玉超表示：“該成果聚焦突破后摩爾新器件的算子譜系擴展難題，有望解決當前眾多前沿領域的低延遲、低功耗信號處理與計算需求。例如，在具身智能落地應用中突破端側算力無法實時和處理高并發、多模態信號的瓶頸；在腦機接口等生理信號處理領域，破解長期存在的信號處理功耗高所導致的病患需要多次接受創傷性手術已更換硬件設備的痛點。”

未來，隨著后摩爾新器件多物理域計算架構的發展與應用，逐步實現全算子譜系覆蓋，我國將在新一代計算架構上實現超越，擺脫在傳統硅基器件上受制于人的被動局面，將有望率先實現極低功耗、超小體積與超高算力的平衡，極大地加速人工智能基礎模型、具身智能、自動駕駛、腦機接口、生理檢測、通信系統、信號處理等多個前沿領域技術的落地應用，為我國領跑智能計算時代，賦能經濟高質量發展奠定智算根基。

相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s41928-025-01534-8