我国成功研制全球首款基于相变忆阻器的神经动力学系统芯片

发布时间：2026-07-18 05:51:10 来源：安智兰德资讯网 作者：休闲

IT之家 7 月 5 日讯—— 北京大学信息工程学院发布重磅消息：由新基石研究员、国成功研信息工程学院院长、制全阻器广东省存算一体芯片重点实验室主任杨玉超教授领衔，球首联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员团队，款基在国际顶级学术期刊《科学》（Science）发表题为“A sub-10-millisecond neural dynamical system based on 于相phase change memristors”的研究成果。该成果标志着我国在新型神经动力学计算芯片领域取得重大突破，变忆成功研制出全球首款基于相变忆阻器的经动毫秒级神经动力学系统芯片。

突破国际难题：运算时延压缩至 2.12 毫秒

研究团队攻克了相变型忆阻器长期面临的力学“可控存内计算”国际难题，首次将神经动力学系统的系统芯片单步运算时延大幅压缩至 2.12 毫秒。

神经动力学系统融合了神经网络的国成功研表达能力与微分方程的连续演化机制，在物理世界建模、制全阻器计算成像等领域应用广泛。球首然而，款基自该系统诞生半个世纪以来，于相如何在保持高精度连续建模能力的变忆同时实现低延迟实时计算，一直是制约其走向实际应用的核心瓶颈。

创新范式：基于相变忆阻器的“可控存内计算”

针对上述瓶颈，团队提出了基于相变型忆阻器的“可控存内计算”新范式。通过精准调控相变存储器的电导漂移与多级电导特性，团队构建了原位存内计算机制，系统性地将器件物理特性与神经动力学算法深度融合。这一设计实现了：
* 自适应积分步长的原位搜索；
* 多级电导的存内乘累加计算。

芯片性能：40nm 工艺打造，面积仅 0.28 平方毫米

该神经动力学芯片采用 40 纳米先进工艺制造。其核心亮点包括：
* 极致紧凑：存内计算与步长漂移阵列总面积仅为 0.28 平方毫米。
* 高效集成：配备编程脉冲生成电路、模数转换器等外围电路。
* 高速运行：芯片运行频率达 50 MHz，单步积分仅需 9 级流水。

这一设计彻底改变了传统数字硬件中频繁的数据读写、乘法运算、缓存访问及数据搬运等高开销操作，在确保高精度的同时实现了真正的实时性。

▲ 基于相变型忆阻器的毫秒级神经动力学系统

性能对比：速度提升最高近 480 倍，功耗大幅降低

实验数据表明，该系统的性能优势显著：
1. 对比专用加速器（ASIC）：在执行相同神经动力学运算时，速度提升 3.82~36.27 倍，功耗降低 11.75~24.73 倍。
2. 对比 NVIDIA A100 GPU：在脑皮层表面重建等高保真脑建模任务中，提速高达 50.38~478.18 倍。

▲ 基于相变型忆阻器的神经动力学芯片性能

深远影响：推动脑机接口从“信号识别”迈向“实时建模”

这一突破为脑机接口（BCI）技术带来了重要启示。未来的脑机接口不仅需读取神经信号，更需实时理解大脑状态、预测神经动力学演化，并实现闭环调控。

高保真脑建模若能以毫秒级速度运行，有望为脑机接口提供个体化、动态化、可解释的脑状态模型，推动脑机系统从简单的信号识别阶段，迈向实时脑状态建模与智能交互的新高度。

项目背景与支持

该研究成果入选“面向 2030 北京大学重大培育项目”。研究工作得到了新基石研究员项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省存算一体芯片重点实验室以及深圳市重点产业研发计划等多方支持。

IT之家附论文链接：

相关文章