В Европе представлен необычный вычислительный чип, который может радикально изменить подход к энергоэффективным вычислениям. В Италии создан экспериментальный аналоговый процессор, способный выполнять ряд вычислительных задач с энергопотреблением до 5000 раз ниже, чем у традиционных цифровых решений. Разработка ориентирована на робототехнику, искусственный интеллект и обработку больших массивов данных.

Почему классические процессоры упираются в потолок

Современные компьютеры по-прежнему страдают от фундаментальной проблемы архитектуры фон Неймана — необходимости постоянно передавать данные между памятью и вычислительным блоком. Эта пересылка:

• увеличивает задержки,

• резко повышает энергопотребление,

• становится критичной при работе с большими объёмами данных.

Особенно остро это проявляется в задачах линейной алгебры, где операции над матрицами и векторами требуют интенсивного обмена данными.

Вычисления прямо внутри памяти

Учёные из Politecnico di Milano предложили альтернативный подход — вычисления в памяти. В их прототипе обработка данных происходит непосредственно там, где они хранятся, без передачи во внешние вычислительные блоки.

Ранее подобные системы уже демонстрировали умножение матрицы на вектор. Однако итальянским исследователям удалось реализовать более сложную операцию — умножение обратной матрицы на вектор, что требует существенно более сложной схемотехники.

Архитектура чипа

Прототип выполнен по 90-нм КМОП-технологии и построен на базе SRAM-памяти. Его ключевые особенности:

• два массива памяти размером 64 × 64;

• аналоговая петля обратной связи;

• встроенные операционные усилители;

• цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Такая структура позволяет выполнять инверсию матриц прямо внутри памяти. Эксперименты показали, что чип эффективно решает системы дифференциальных уравнений методом рекурсивной блочной инверсии.

Рекордная энергоэффективность

За счёт отказа от классической цифровой логики и постоянной передачи данных новый ускоритель демонстрирует экономию энергии до 5000 раз по сравнению с цифровыми схемами, выполняющими аналогичные задачи. Это один из самых высоких показателей, зафиксированных для вычислительных систем такого класса.

Роль аналоговых элементов

Основу памяти составляют ячейки ReRAM — резистивной памяти, тесно связанной с SRAM. ReRAM является по своей природе аналоговым элементом, что и задаёт характер всей платформы. Именно аналоговый подход позволяет добиться столь высокой эффективности.

При этом разработка не возникла в изоляции: она опирается на более ранние научные работы исследователей из Peking University. Проект стал примером международного научного сотрудничества, направленного на решение общей задачи — снижения энергозатрат высокопроизводительных вычислений.

Практическая проверка

Работоспособность чипа подтверждена на реальных прикладных задачах:

• отслеживание траектории ракеты с использованием фильтра Калмана;

• ускорение расчётов обратной кинематики для роботизированных манипуляторов.

По точности результаты сопоставимы с полностью цифровыми системами при той же разрядности. При этом аналоговый ускоритель выигрывает сразу по нескольким параметрам — задержкам, энергопотреблению и площади кристалла.

Что это значит

Хотя речь пока идёт о прототипе, разработка показывает, что аналоговые вычисления в памяти могут стать серьёзной альтернативой цифровым ускорителям в нишевых, но крайне важных задачах. В условиях, когда рост производительности всё чаще упирается в энергопотребление, подобные архитектуры могут сыграть ключевую роль в будущем ИИ, робототехники и научных вычислений.