湖南大學自研“存算一體”非馮·諾依曼類腦芯片架構
湖南大學自研“存算一體”非馮·諾依曼類腦芯片架構
近日，湖南大學電氣與信息工程學院劉杰教授課題組自主研制出了“存算一體”非馮·諾依曼類腦芯片架構，用于加速分子動力學高性能科學計算。
相較主流Intel CPU、NVIDIA GPU芯片，在保持計算高精度前提下，實現了約2個數量級提速。研究成果發表在《npj Computational Materials》期刊。
自1946年發明至今，馮·諾依曼架構一直占據統治地位，是CPU、GPU等主流芯片的基礎，也是手機、臺式機、筆記本、計算服務器、超級計算中心的底層基礎架構。不過，在馮·諾依曼架構中，“存儲墻（memory wall）”和“功耗墻（power wall）”等瓶頸問題嚴重制約了計算性能的提升。
為此，劉杰教授團隊自主設計了“存算一體”的類腦芯片架構，并基于FPGA研制出了基于新型非馮·諾依曼芯片架構的分子動力學計算系統“NVNMD”（第一版），實現了從傳統馮·諾依曼芯片架構向新型非馮·諾依曼芯片架構的“范式轉移（paradigm shift）”。
據湖南大學官方介紹，NVNMD的核心計算模塊中，存儲單元和計算單元緊密融為一體（即“存算一體”），避免了頻繁的數據搬運，極大緩解了計算中的“存儲墻”和“功耗墻”瓶頸。實測表明，相較主流CPU、GPU等傳統馮·諾依曼架構芯片，可將計算速度提升大約2個數量級；并可將計算功耗降低大約3個數量級。
湖南大學消息顯示，該成果提出的新型NVNMD兼具AIMD級別高精度、CMD級別高速度，在物理、化學、生物、制藥、地質、材料、半導體、納米技術等領域有廣泛應用前景。
目前，該團隊正在基于高端工藝節點，設計非馮·諾依曼架構ASIC芯片的NVNMD（第二版），旨在實現單節點（平方cm量級芯片、百瓦量級功耗、新型非馮·諾依曼芯片架構）分子動力學算力大致相當于美國最強超算中心Summit算力總和（占地一棟樓、十兆瓦量級功耗、傳統馮·諾依曼芯片架構）的研究目標。
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