突破半世紀技術瓶頸！中國造出全球首款神經動力晶片 較輝達晶片提速478倍、登上《科學》雜誌
根據上周五 (3 日) 刊登於《科學 (Science)》的最新研究論文，中國晶片領域迎來里程碑式突破，北京大學整合電路學院楊玉超教授團隊，日前聯合中國科學院上海微系統與資訊科技研究所宋志棠研究員團隊，成功研製全球首款基於相變憶阻器(Phase-Change Memristor) 的神經動力學系統晶片，首次將神經動力學系統的單步驟運算時延壓縮至 2.12 毫秒，較輝達 A100 GPU 提速至 478.18 倍。
上述研究成果榮登國際頂尖學術期刊，並獲同期專述點評，標誌著中國在「存算一體」與類腦計算晶片領域躋身全球第一梯隊，打破半世紀馮 · 諾依曼架構瓶頸 存算一體重構底層邏輯。
長期以來，全球傳統晶片沿襲馮 · 諾依曼架構，運算單片與記憶體單位分離，處理神經動力學計算，如人腦模擬、腦皮層三維重建、神經信號推演時，海量中間數據需在內存與處理器間反覆搬運 (Memory Wall 效應)，導致延遲高、功耗大，半世紀以來一直無法實現高精度實時神經動力學仿真，嚴重制約腦科學與腦機。
北大與中科院聯合團隊跳出傳統架構桎梏，提出「可控存內計算 (Controllable Compute-in-Memory)」新模式：利用相變憶阻器本身俱備的多級電導特性與可控電導漂移(CCD) 機制，將神經網絡權重直接映射至憶阻器電導態，在同一陣列內同步完成矩陣乘累加 (MAC) 運算與自適應積分步長原位搜索，真正做到「存儲即計算」，從物理底層消除數據搬運開銷。
這款突破性晶片採用 40 奈米 CMOS 製程製造，核心記憶體計算與步長漂移陣列面積僅 0.28 平方毫米 (含 14.7 萬個 1T1R 相變憶阻器單元)，配備編程脈衝生成電路及模數轉換器等外圍電路。晶片運行頻率 50MHz，神經動力學單步積分僅需 9 級流水線，最終將單次迭代計算時延鎖定在 2.12 毫秒，首次把神經動力學硬體系統推入「亞 10 毫秒級」實時運算時代。
性能測試顯示，在相同神經動力學運算下，該系統較當前最先進的專用 ASIC 加速器速度提升 3.82 至 36.27 倍，功耗降低 11.75 至 24.73 倍，而在包含 190 萬個頂點的高精度大腦皮層表面重建任務中，輝達 A100 GPU 耗時約 1.83-21.47 秒，而該晶片僅需 3.85 毫秒至 426 毫秒，等效提速 50.38～478.18 倍，一舉攻克困擾學界半世紀的即時計算難題。
神經動力學系統融合神經網絡表達能力與微分方程連續演化機制，是解析大腦神經元聯動、重建大腦訊息處理邏輯的核心工具。
業內專家指出，此款晶片雖非用於取代通用 GPU 進行大模型訓練，但在以下三大領域內極具產業價值：
一、基礎腦科學研究：可支撐高精準度人腦動態建模與神經機理還原，協助破解大腦運行奧秘；
二、智慧醫療與臨床：能實現失智症、帕金森氏症及腦神經病變的早期篩查與術中神經導航，推動個體化腦狀態即時建模；
三、腦機介面與類腦 AI：為植入式 / 便攜式腦機介面提供端側毫秒級神經訊號解析算力，支撐仿生智慧型系統與類腦脈衝神經網絡推理。
北京大學教授楊玉超說：「這項成果證明相變憶阻器可在連續時間科學計算與高幾何保真度物理世界建模中發揮關鍵作用。未來隨著技術迭代與異構集成，將進一步拓展至更廣泛的端側類腦智能場景。」
此次突破是新基石研究員計畫、中國國家重點研發計畫及北大–中科院跨平台協同的典型範例。
隨著專用神經形態算力時代的開啓，這一突破也為中國下一代 AI 底層硬體自主創新積累了關鍵理論與工程實踐經驗。
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