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中國芯片突破世紀難題，模擬計算迎來“換道超車”新機遇

來源：時間：2025-10-16 15:42:40 瀏覽：2426次

中國芯片突破世紀難題，模擬計算迎來“換道超車”新機遇

傳統GPU需運行一整天的計算任務，新型芯片只需一分鐘就能完成，這一顛覆性突破來自中國科研團隊的創新智慧。

模擬計算

在數字計算占據主導地位半個多世紀后，中國科學家在新型計算架構上取得了重大突破。北京大學人工智能研究院孫仲團隊聯合集成電路學院研究團隊，成功研制出基于阻變存儲器的高精度、可擴展模擬矩陣計算芯片，首次將模擬計算的精度提升至24位定點精度。這項突破標志著困擾全球科學界的模擬計算“世紀難題”被攻克，為后摩爾時代的計算范式變革提供了全新路徑。與此同時，清華大學電子工程系方璐教授團隊在智能光子領域取得重大進展，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。這兩項成果幾乎同步問世，展現了中國在高端芯片領域多方向突破的強勁勢頭。

突破模擬計算瓶頸

模擬計算作為早期計算機的核心技術，通過物理定律直接運算，具有高并行、低延時、低功耗的先天優勢。然而，由于傳統模擬計算精度低、難擴展，逐漸被高精度、可編程的數字計算取代。北京大學孫仲研究員指出：“如何讓模擬計算兼具高精度與可擴展性，從而在現代計算任務中發揮其先天優勢，一直是困擾全球科學界的世紀難題。” 面對這一挑戰，研究團隊選擇了一條融合創新的道路，通過新型信息器件、原創電路和經典算法的協同設計，構建了一個基于阻變存儲器陣列的高精度、可拓展的全模擬矩陣方程求解器。在計算精度方面，團隊成功實現16×16矩陣的24比特定點數精度求逆，矩陣方程求解經過10次迭代后，相對誤差可低至10??量級。這一精度與當前主流數字處理器相當，但能耗和計算時間大幅降低。

技術性能的飛躍式提升

這款新型模擬矩陣計算芯片的性能表現令人矚目。在計算吞吐量方面，當問題規模擴大至128×128時，計算吞吐量達到頂級數字處理器的1000倍以上。能效提升同樣顯著，在相同精度下，該技術的能效比傳統數字處理器提升超100倍。這意味著原本需要傳統GPU運行一天的計算任務，這款新型芯片一分鐘內即可完成，為算力中心能耗問題提供了關鍵技術支撐。研究團隊還提出了塊矩陣模擬計算方法，像拼圖一樣將大問題分解到多個芯片上協同解決，成功突破了模擬計算的規模限制。這種創新架構使模擬計算首次具備了解決復雜大規模問題的能力。

智能光子技術的并行突破

與此同時，清華大學電子工程系方璐教授團隊在智能光子領域取得了重大突破。團隊成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。這款芯片僅約2厘米×2厘米×0.5厘米，卻可在400—1000納米的寬光譜范圍內，實現亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。方璐教授表示：“我們提出可重構計算光學成像架構，將物理分光限制轉化為光子調制與重建過程，挖掘隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，實現了高維光譜調制與高通量解調的協同計算。” “玉衡”芯片的快照式成像每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數千年縮短至十年以內。

產業鏈協同發展

中國半導體產業不僅在前沿研究領域取得突破，在全產業鏈自主可控方面也進展顯著。10月15日開幕的2025灣區半導體產業生態博覽會（灣芯展）上，超過600家企業展示了中國半導體產業鏈的最新成果。展會上，新凱來旗下萬里眼公司發布了90GHz超高速實時示波器，將國產示波器性能提升至原有水平的500%，打破了西方國家的技術封鎖。同時，啟云方發布了兩款擁有完全自主知識產權的國產電子工程EDA設計軟件，產品性能較行業標桿提升30%。華潤微電子黨委書記、董事長何小龍表示：“中國半導體產業正逐步實現從原材料到下游應用的全鏈條自主可控。” 這一趨勢在灣芯展上得到充分體現，從材料、設備到設計工具，多個關鍵環節都展示了國產替代的重要進展。

應用前景與市場影響

北京大學開發的模擬矩陣計算芯片應用前景廣闊。孫仲指出，在未來的6G通信領域，它能讓基站以實時且低能耗方式處理海量天線信號，提升網絡容量和能效。對于人工智能技術，這項研究有望加速大模型訓練中計算密集的二階優化算法，從而顯著提升訓練效率。低功耗特性也將支持復雜信號處理和AI在終端設備上的直接運行，大大降低對云端的依賴，推動邊緣計算邁向新階段。據中國報告大廳網預測，到2030年采用類似架構的模擬計算芯片市場滲透率有望達到18%，形成超500億美元規模的新賽道。這一突破將推動從EDA工具、封裝工藝到系統軟件配套的全產業鏈升級。

從技術突破到產業生態

盡管實驗室成果顯著，但要實現大規模產業化仍需跨越技術適配性驗證和制造工藝優化兩大關卡。當前原型芯片已完成16×16至128×128陣列的可擴展性驗證，下一步需要建立跨尺度設計方法論，并解決量產良率控制、系統集成等工程難題。中國半導體產業生態正在加速完善。灣芯展上展示的Chiplet與先進封裝生態專區，顯示了國內在先進封裝這一關鍵環節的進展。把多個“小芯片”（Chiplet）像樂高一樣拼在一起，既能提升性能，又能降低成本，這種“搭積木”的玩法正在成為國產芯片實現“逆襲”的新密碼。曾經，中國芯片產業常被戲稱為“被封測的國家”，這背后是我們在芯片設計、制造、設備和材料等高端環節長期受制于人的無奈。如今，隨著多點攻克，這幅產業圖景正在被迅速重構。