北大团队发表癌症治疗重大发现，北大团队开源首个中文法律大模型
近日，北京大学研究员孙忠课题组在模拟计算领域取得重要进展，基于忆阻器（又称电阻式存储器）阵列一步解决复杂的压缩感知还原问题取得成功。微秒级。在本研究中，我们首先设计了一种内存模拟计算单元，该单元可以一步执行“矩阵-矩阵”乘法，然后基于该单元构建反馈回路，以在连续时间内一步恢复压缩的传感信号。意识到。研究人员在实验中利用该电路重建一维稀疏信号、二维彩色图像和核磁共振图像，归一化平均误差低至0.01，图像信噪比达到峰值。据说达到了27dB。在分析速度方面，该电路比深度学习等数值方法快一到两个数量级。孙忠说道： “我们新方法的最大优点是速度极快。目前，压缩感知恢复可以在几微秒内通过实验实现。“如果你要恢复一张照片或图像，最终时间可能只需要几毫秒。”同时，该方法优于其他电子或光子模拟计算解决方案，为压缩数据的实时信号处理提供了新的解决方案。传感终端设备有望促进磁共振成像、信道估计等先进医疗、通信和图像处理技术的实现。 “我们的电路解决了稀疏逼近的问题。在信道估计方向上，跟踪信道允许信息实时更新，为提高未来5G和6G无线服务的质量提供了可靠的解决方案。我们提供了一种预测方法， ”孙忠说道。
图丨相关论文（来源：Science Advances）
最近在《Science Advances》上发表了一篇相关论文，标题为《实现一步还原压缩感知的存内模拟计算方案》（用于压缩感知恢复的内存模拟解决方案）[1]。北京大学博士生王世庆为论文第一作者，孙忠为通讯作者。
图片丨孙忠（右）和王世庆（来源：团队）
压缩感知缩减涉及复杂的矩阵计算和非线性元素运算，在数字计算机上具有很高的计算复杂度。近年来，基于新计算范式加速压缩感知解压缩计算的研究取得了一些进展，但这些解决方案往往依赖于数字域的矩阵预计算或离散时间迭代计算。事实上，这些方法并没有降低计算复杂度，而且这些因素可能会导致额外的模数转换成本。因此，一步实现压缩感知恢复是一项重大挑战。孙忠解释道： “在这项研究之前，人们认为忆阻器阵列最多只能用于执行矩阵向量乘法，而矩阵向量乘法是不可能的。”
图丨一步解决压缩传感还原的内存模拟电路（来源：Science Advances）
为了解决这个问题，研究人员首先巧妙地设计了一种模拟内存计算单元，一步实现矩阵-矩阵-向量乘法。这避免了先前工作中离散迭代和矩阵乘法的预计算。基于此，研究人员从求解的动态方程出发，构建基于忆阻器阵列的内存模拟计算电路，并将这些单元与其他模拟元件连接起来，以提供局部或全局反馈。算法，我们实现了一步压缩感知缩减，无需任何预计算或迭代。在实验中，研究人员首先通过标准半导体工艺制备了忆阻器阵列，然后基于该阵列构建了设计的压缩传感还原电路。将压缩传感获得的信息转换为电压信号输入到电路中，电路的输出端可以输出恢复后的原始信号。
图丨实验一维稀疏信号、二维彩色图像和核磁共振图像的重建（来源：Science Advances）
值得注意的是，在这项研究中，图像的峰值信噪比达到了27 dB。目前，基于忆阻器阵列作为神经网络加速器的大量研究正在进行。但不可忽视的是，忆阻器阵列中噪声的存在可能会导致计算精度出现问题。孙忠说：“我们之所以能够在信噪比方面取得更好的结果，是因为压缩感知还原包括非线性运算，这可以抑制噪声，并且与神经网络类似，“它提供了相同的容错能力。”此外，研究人员使用模拟计算方法来恢复照片，对比显示，其功耗是传统模拟设备的2%，但与专用数字电路相比，该方法的功耗被发现要少三分之一。数字电路。一位熟悉这项研究的专家表示，这个想法新颖且有吸引力。尽管他们使用的阵列尺寸很小，但包括器件制造、电路设计和分析在内的结果证明了他们提出的方法的潜力和可行性。毫无疑问，这项研究未来有望进一步扩大电阻式存储器的应用范围。另一位专家表示，“我喜欢紧凑的设计，并且欣赏减少模数和数模转换的想法。这个电路可能有用（在某些应用中）。我不这么认为。” '
孙忠祖涵，DeepTech 2022年度“中国智能计算技术创新人物”候选人（来源：DeepTech）
近年来，孙忠及其团队独立提出了模拟矩阵计算技术，发展了相关基础理论，对其独特的计算复杂性问题进行了深入研究，并在实验室阶段取得了进展，完成了电路验证。国际电子设备和系统发展路线图。孙忠凭借其独特创新的硬件计算范式，为智能计算相关行业广泛的矩阵计算提供了极致的加速技术，被评为DeepTech 2022年度“中国智能计算技术创新人物”候选人之一。接下来，孙忠计划带领研究团队进一步扩大阵列规模。 “未来我们希望重点解决大规模集成问题，实现模拟计算电路的集成，以方便实际应用。” 参考文献：1. Wang, S. et. al. 压缩内存纳米解决方案一步恢复传感。《科学进展》9,50(2023)。https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2908
