Разработанный китайцами аналоговый чип может работать в 1000 раз быстрее, чем графические процессоры Nvidia H100 и AMD Vega 20

В новом исследовании, опубликованном 13 октября в журнале Nature Electronics, учёные из Пекинского университета заявили, что их устройство устраняет два ключевых недостатка: ограничения по энергопотреблению и объёму данных, с которыми сталкиваются цифровые чипы в таких развивающихся областях, как искусственный интеллект (ИИ) и 6G, а также «вековую проблему» низкой точности и непрактичности, которая ограничивала аналоговые вычисления.

При решении сложных коммуникационных задач, в том числе задач инверсии матриц, используемых в системах с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) (беспроводная технологическая система), чип показал точность, сопоставимую со стандартными цифровыми процессорами, при этом потребляя примерно в 100 раз меньше энергии.

По словам исследователей, после внесения корректировок производительность устройства превзошла производительность топовых графических процессоров, таких как Nvidia H100 и AMD Vega 20, в 1000 раз. Оба чипа играют важную роль в обучении моделей ИИ. Например, Nvidia H100 — это более новая версия видеокарт A100, которые OpenAI использовала для обучения ChatGPT.

Новое устройство состоит из массивов резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM), которые хранят и обрабатывают данные, регулируя силу тока, проходящего через каждую ячейку.

В отличие от цифровых процессоров, которые работают с двоичными 1 и 0, аналоговая конструкция обрабатывает информацию в виде непрерывных электрических токов в своей сети ячеек RRAM. Обрабатывая данные непосредственно на своём аппаратном обеспечении, чип избегает энергозатратной задачи передачи информации между собой и внешним источником памяти.

«С ростом числа приложений, использующих огромные объёмы данных, перед цифровыми компьютерами встаёт непростая задача, особенно с учётом того, что масштабирование традиционных устройств становится всё более сложной задачей, — говорится в исследовании. — Тестирование показывает, что наш подход к аналоговым вычислениям может обеспечить в 1000 раз более высокую пропускную способность и в 100 раз более высокую энергоэффективность, чем у современных цифровых процессоров, при той же точности».

Аналоговые вычисления не являются чем-то новым — скорее наоборот. Антикитерский механизм, обнаруженный у берегов Греции в 1901 году, предположительно был создан более 2000 лет назад. Для выполнения вычислений в нём использовались взаимосвязанные шестерни.

Однако на протяжении большей части современной истории вычислительной техники аналоговые технологии считались непрактичной альтернативой цифровым процессорам. Это связано с тем, что аналоговые системы используют для обработки информации непрерывные физические сигналы, например напряжение или электрический ток. Ими гораздо сложнее управлять, чем двумя стабильными состояниями (1 и 0), с которыми приходится работать цифровым компьютерам.

Преимущество аналоговых систем заключается в скорости и эффективности. Поскольку им не нужно разбивать вычисления на длинные цепочки двоичного кода, а вместо этого представлять их в виде физических операций в схеме чипа, аналоговые чипы могут обрабатывать большие объёмы информации одновременно, потребляя при этом гораздо меньше энергии.

Это становится особенно важным в приложениях, требующих больших объёмов данных и энергозатратных, таких как искусственный интеллект, где цифровые процессоры ограничены в объёме информации, которую они могут обрабатывать последовательно, а также в будущих сетях 6G, где сетям придётся обрабатывать огромные объёмы перекрывающихся беспроводных сигналов в режиме реального времени.

Исследователи заявили, что последние достижения в области аппаратного обеспечения памяти могут снова сделать аналоговые вычисления возможными. Команда сконфигурировала ячейки RRAM чипа в две схемы: одна обеспечивала быстрое, но приблизительное вычисление, а вторая уточняла и корректировала результат на последующих итерациях, пока не получала более точное число.

Такая конфигурация чипа позволила команде объединить скорость аналоговых вычислений с точностью, обычно присущей цифровой обработке. Важно отметить, что чип был изготовлен с использованием коммерческого производственного процесса, то есть потенциально мог быть выпущен в массовое производство.

По словам исследователей, будущие усовершенствования схемы чипа могут ещё больше повысить его производительность. Их следующая цель — создать более крупные, полностью интегрированные чипы, способные решать более сложные задачи на более высоких скоростях.

Источник