山东大学团队在高精度存算芯片领域取得新进展

近日，山东大学信息科学与工程学院陈杰智课题组的研究成果以题为“An Efficient Flash-Based Computing-in-Memory (CIM) Demonstration of High-Precision (32-bit) Nonlinear Partial Differential Equation (PDE) Solver With Ultra-High Endurance and Reliability”的论文发表在集成电路领域旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers（简称TCAS-I）上。信息学院2021级直博生冯扬是论文第一作者，陈杰智教授是论文通讯作者，山东大学信息科学与工程学院为第一完成单位及通讯单位。

随着人工智能等应用对数据存储与计算需求的持续增长，处理数据的能耗显著增加，提升计算芯片的算力并降低功耗成为亟待解决的关键课题。存算一体技术因其在存储阵列内集成计算单元的能力，可实现大规模数据的并行计算，展现出极高的计算能效与算力密度，成为高性能计算领域的重要技术之一。面对日益复杂的网络推理任务，存算一体硬件支持的计算精度要求也随之提升。特别是在以求解偏微分方程（PDE）为代表的通用型计算中，高精度存算宏单元的研发变得尤为重要。本研究通过设计闪存存算一体架构，有效提升了计算效率和精度，为解决复杂计算任务提供了重要技术支撑。

图1 FNO算法及高精度存算系统映射原理

图2 存算芯片硬件及运算架构

基于Fourier Neural Operator (FNO) 算法，设计了32比特高精度闪存存算单元，基于硬件系统架构实现了非线性偏微分方程的求解。结合可靠性分析、电路测试以及系统级仿真，对该系统性能和鲁棒性进行了全面验证。测试结果表明，该系统能够实现40ns的高速脉冲输出，在高效求解非线性偏微分方程的同时，以更低的硬件成本和更小的功耗完成复杂计算，能效高达2 TOPS/W。该技术方案为构建高能效通用型存算一体系统提供了新的技术路径。

TCAS-I作为国际电路与系统领域的顶级期刊，对被录用论文的要求极高，需呈现创新性的芯片设计并提供全面的理论分析。该论文第一作者冯扬，为山东大学信息科学与工程学院2017级微纳光电子科学与技术新工科试验班本科生，2021年直博加入陈杰智教授课题组，至今以第一作者/共同第一作者在IEEE TCAS-I、IEEETED、IEEE EDL等权威期刊发表SCI论文8篇，在集成电路国际顶级学术会议IEDM上发表会议论文1篇，VLSI Symposia Technology上发表会议论文2篇。

上述工作得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金重点项目、后摩尔重大研究计划项目、国家公派留学基金等多个项目资助。