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中国芯片突破世纪难题，模拟计算迎来“换道超车”新机遇

来源：时间：2025-10-16 15:42:40 浏览：627次

中国芯片突破世纪难题，模拟计算迎来“换道超车”新机遇

传统GPU需运行一整天的计算任务，新型芯片只需一分钟就能完成，这一颠覆性突破来自中国科研团队的创新智慧。

模拟计算

在数字计算占据主导地位半个多世纪后，中国科学家在新型计算架构上取得了重大突破。北京大学人工智能研究院孙仲团队联合集成电路学院研究团队，成功研制出基于阻变存储器的高精度、可扩展模拟矩阵计算芯片，首次将模拟计算的精度提升至24位定点精度。这项突破标志着困扰全球科学界的模拟计算“世纪难题”被攻克，为后摩尔时代的计算范式变革提供了全新路径。与此同时，清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得重大进展，成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”。这两项成果几乎同步问世，展现了中国在高端芯片领域多方向突破的强劲势头。

突破模拟计算瓶颈

模拟计算作为早期计算机的核心技术，通过物理定律直接运算，具有高并行、低延时、低功耗的先天优势。然而，由于传统模拟计算精度低、难扩展，逐渐被高精度、可编程的数字计算取代。北京大学孙仲研究员指出：“如何让模拟计算兼具高精度与可扩展性，从而在现代计算任务中发挥其先天优势，一直是困扰全球科学界的世纪难题。” 面对这一挑战，研究团队选择了一条融合创新的道路，通过新型信息器件、原创电路和经典算法的协同设计，构建了一个基于阻变存储器阵列的高精度、可拓展的全模拟矩阵方程求解器。在计算精度方面，团队成功实现16×16矩阵的24比特定点数精度求逆，矩阵方程求解经过10次迭代后，相对误差可低至10⁻⁷量级。这一精度与当前主流数字处理器相当，但能耗和计算时间大幅降低。

技术性能的飞跃式提升

这款新型模拟矩阵计算芯片的性能表现令人瞩目。在计算吞吐量方面，当问题规模扩大至128×128时，计算吞吐量达到顶级数字处理器的1000倍以上。能效提升同样显著，在相同精度下，该技术的能效比传统数字处理器提升超100倍。这意味着原本需要传统GPU运行一天的计算任务，这款新型芯片一分钟内即可完成，为算力中心能耗问题提供了关键技术支撑。研究团队还提出了块矩阵模拟计算方法，像拼图一样将大问题分解到多个芯片上协同解决，成功突破了模拟计算的规模限制。这种创新架构使模拟计算首次具备了解决复杂大规模问题的能力。

智能光子技术的并行突破

与此同时，清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得了重大突破。团队成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”。这款芯片仅约2厘米×2厘米×0.5厘米，却可在400—1000纳米的宽光谱范围内，实现亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。方璐教授表示：“我们提出可重构计算光学成像架构，将物理分光限制转化为光子调制与重建过程，挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性，实现了高维光谱调制与高通量解调的协同计算。” “玉衡”芯片的快照式成像每秒可获取近万颗恒星的完整光谱，有望将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内。

产业链协同发展

中国半导体产业不仅在前沿研究领域取得突破，在全产业链自主可控方面也进展显著。10月15日开幕的2025湾区半导体产业生态博览会（湾芯展）上，超过600家企业展示了中国半导体产业链的最新成果。展会上，新凯来旗下万里眼公司发布了90GHz超高速实时示波器，将国产示波器性能提升至原有水平的500%，打破了西方国家的技术封锁。同时，启云方发布了两款拥有完全自主知识产权的国产电子工程EDA设计软件，产品性能较行业标杆提升30%。华润微电子党委书记、董事长何小龙表示：“中国半导体产业正逐步实现从原材料到下游应用的全链条自主可控。” 这一趋势在湾芯展上得到充分体现，从材料、设备到设计工具，多个关键环节都展示了国产替代的重要进展。

应用前景与市场影响

北京大学开发的模拟矩阵计算芯片应用前景广阔。孙仲指出，在未来的6G通信领域，它能让基站以实时且低能耗方式处理海量天线信号，提升网络容量和能效。对于人工智能技术，这项研究有望加速大模型训练中计算密集的二阶优化算法，从而显著提升训练效率。低功耗特性也将支持复杂信号处理和AI在终端设备上的直接运行，大大降低对云端的依赖，推动边缘计算迈向新阶段。据中国报告大厅网预测，到2030年采用类似架构的模拟计算芯片市场渗透率有望达到18%，形成超500亿美元规模的新赛道。这一突破将推动从EDA工具、封装工艺到系统软件配套的全产业链升级。

从技术突破到产业生态

尽管实验室成果显著，但要实现大规模产业化仍需跨越技术适配性验证和制造工艺优化两大关卡。当前原型芯片已完成16×16至128×128阵列的可扩展性验证，下一步需要建立跨尺度设计方法论，并解决量产良率控制、系统集成等工程难题。中国半导体产业生态正在加速完善。湾芯展上展示的Chiplet与先进封装生态专区，显示了国内在先进封装这一关键环节的进展。把多个“小芯片”（Chiplet）像乐高一样拼在一起，既能提升性能，又能降低成本，这种“搭积木”的玩法正在成为国产芯片实现“逆袭”的新密码。曾经，中国芯片产业常被戏称为“被封测的国家”，这背后是我们在芯片设计、制造、设备和材料等高端环节长期受制于人的无奈。如今，随着多点攻克，这幅产业图景正在被迅速重构。