Итальянские учёные разработали прототип аналогового процессора, который способен ускорить обработку информации в тысячу раз для таких областей, как робототехника, искусственный интеллект и работа с большими данными. Вычисления выполняются непосредственно в памяти чипа, что исключает необходимость перемещения данных и, как показали испытания, снижает энергозатраты вплоть до 5000 раз в сравнении с традиционными цифровыми системами.
Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT 5.2/3DNews
Направление in-memory computing (вычисления в памяти) давно привлекает исследователей как способ сократить энергопотребление, связанное с постоянной переброской данных между процессором и памятью. Эта проблема, присущая классической архитектуре фон Неймана, создаёт «бутылочное горлышко», ведущее к росту задержек и расходу энергии. Особенно эффективным такой подход может стать для выполнения ресурсоёмких операций линейной алгебры, таких как работа с матрицами и векторами.
Если операции умножения матрицы на вектор в подобных системах уже были успешно продемонстрированы, то реализация умножения обратной матрицы на вектор представляет собой более сложную инженерную задачу. Специалисты из Миланского политехнического университета (Politecnico di Milano) создали интегрированный аналоговый ускоритель с контуром обратной связи, который способен выполнять обе эти операции. Устройство построено на базе статической оперативной памяти (SRAM) и произведено по 90-нанометровой КМОП-технологии.
Конструкция чипа включает два массива памяти размером 64×64, которые соединены в аналоговый контур обратной связи с использованием встроенных операционных усилителей, а также ЦАП и АЦП. Подобная архитектура даёт возможность проводить инверсию матриц прямо в памяти, без отправки данных во внешние вычислительные модули. Эксперименты подтвердили, что ускоритель эффективно решает системы дифференциальных уравнений методом рекурсивной блочной инверсии, обеспечивая до 5000-кратную экономию энергии в сравнении с цифровыми эквивалентами.
Источник изображения: Politecnico di Milano
Стоит отметить, что основу запоминающих массивов составляют элементы резистивной памяти ReRAM, имеющие схемную связь с ячейками SRAM. Ячейка ReRAM по своей природе является аналоговым компонентом, что определяет характер всей новой платформы. Также важно подчеркнуть, что данная европейская технология базируется на исследованиях специалистов Пекинского университета, которые также ведут публикационную деятельность в этой области. В целом, это яркий образец международного взаимодействия, направленного на решение общей задачи — повышения эффективности систем для высокопроизводительных расчётов.
Практическая ценность предложенного подхода была подтверждена в ходе решения задач сопровождения ракетной траектории с применением фильтра Калмана, а также при ускорении вычислений обратной кинематики для роботизированных манипуляторов. Достигнутые показатели точности оказались сравнимы с полностью цифровыми системами при равной разрядности, в то время как аналоговая архитектура с вычислениями непосредственно в памяти обеспечивает преимущества в скорости, энергозатратах и площади кристалла.
