相關(guān)研究成果已于 2026 年 1 月 9 日發(fā)表在《自然-電子學(xué)》上，已經(jīng)引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

楊玉超教授指出，該成果落地應(yīng)用有望讓我國在新一代計算架構(gòu)上實現(xiàn)超越。

困境與破局

在人工智能、自動駕駛、腦機(jī)接口等新興技術(shù)快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)硬件正在面臨嚴(yán)峻考驗。這些新興領(lǐng)域?qū)Υ笸掏�、高精度、高并發(fā)以及多種異構(gòu)計算的要求越來越高。

硅基芯片面臨的微縮、功耗、存儲三大瓶頸，使得傳統(tǒng)技術(shù)路線難以持續(xù)滿足指數(shù)級增長的算力需求。

業(yè)內(nèi)將目光投向了憶阻器、光電器件等后摩爾時代的新型器件，它們憑借獨特的物理特性被視為打破算力瓶頸的潛在突破口。然而，這些器件可支持的算子種類過于單一。

這使得這些新器件強(qiáng)大的理論潛力難以充分發(fā)揮，始終“跑不起來”。

陶耀宇和楊玉超教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊找到了一個精妙的解決方案——多物理域融合計算架構(gòu)。他們創(chuàng)造性地將兩種特性互補的后摩爾新器件進(jìn)行了系統(tǒng)集成。

這兩種器件分別是易失性氧化釩器件與非易失性氧化鉭/鉿器件。氧化釩是一種隨溫度變化能發(fā)生金屬-絕緣體相變的材料，在 68 ℃附近電阻率變化可達(dá)數(shù)個數(shù)量級，適合用于頻率的生成與動態(tài)調(diào)控。

而氧化鉭/鉿則屬于阻變存儲器材料，具有結(jié)構(gòu)簡單、讀寫速度快、與 CMOS 工藝兼容等優(yōu)勢，特別適合實現(xiàn)存算一體功能。

這種集成并非簡單的物理堆疊，而是實現(xiàn)了兩種器件功能的深度融合。研究團(tuán)隊允許多種計算方式在其最適合的物理域進(jìn)行計算，包括電流、電荷、光等。

陶耀宇解釋說，這種計算架構(gòu)讓不同計算任務(wù)在最適合的物理域中運行，從而實現(xiàn)更高的計算效率。

氧化釩器件擅長快速頻率轉(zhuǎn)換，氧化鉭/鉿器件則提供存儲和協(xié)同處理能力，兩者形成完美的互補。

實現(xiàn)性能飛躍

這一創(chuàng)新架構(gòu)帶來的性能提升令人矚目。在關(guān)鍵的傅里葉變換任務(wù)中，計算速度從每秒約 1300 億次提升至每秒約 5000 億次，算力提升了近 4 倍。

傅里葉變換作為信號處理的“翻譯器”，是科學(xué)與工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)運算之一。它能夠?qū)��?fù)雜信號轉(zhuǎn)換為頻率語言，廣泛應(yīng)用于特征提取、降噪、壓縮和計算優(yōu)化等方面。

精度方面，新技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)了高達(dá) 99.2% 的傅里葉變換精度。實驗與仿真結(jié)果顯示，兩種器件吞吐率相比目前最快的硅基芯片提升近 4 倍，能效提升達(dá) 96.98 倍。

更重要的是，這一架構(gòu)顯著降低了存儲與互連資源的消耗。這意味著在實際應(yīng)用中，這種新計算架構(gòu)不僅速度更快，能耗更低，還能節(jié)約寶貴的硬件資源。

這一系列數(shù)據(jù)表明，北大團(tuán)隊的研究不僅僅是理論上的突破，而是具備了實際應(yīng)用價值的系統(tǒng)性創(chuàng)新。他們的工作解決了后摩爾新器件算子譜系狹窄的問題。

隨著全新計算架構(gòu)的誕生，陶耀宇表示，新的計算框架有望突破后摩爾新器件的算子譜系擴(kuò)展難題。這意味著新器件能夠同時支持多種計算方式，真正“跑起來”。

這一突破性進(jìn)展對未來科技發(fā)展的意義深遠(yuǎn)。研究團(tuán)隊已經(jīng)展望了新架構(gòu)在人工智能基礎(chǔ)模型、具身智能、自動駕駛、腦機(jī)接口、通信系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

參考資料：

https://cn.chinadaily.com.cn/a/202601/10/WS69624ac1a310942cc499ad07.html

https://www.cas.cn/kj/202601/t20260112_5095851.shtml

http://www.zhuzaojishu.net/articles/html/%e9%93%b8%e9%80%a0%e6%8a%80%e6%9c%af202301/%e9%93%b8%e9%80%a0%e6%8a%80%e6%9c%af202301004.html