科學快報 北大模擬計算炸場！精度提高10萬倍，計算的未來不是0和1，【科學快報】第241期

在量子計算和原子集納米管去摸亂舞的後摩爾定律時代 幾乎被遺忘的模擬計算突然又殺了回來 近日 北大人工智能研究院衝破了百年瓶頸 將模擬精度提高了五個數量級 也就是10萬倍 和目前最頂級的GPU相比 計算吞吐量和能效提升了至高1000倍 實驗驗證達到了24位定點精度和32位浮點精度的數字處理器 研究成果於10月13號發表在了自然電子學上 模擬計算並非新鮮事物 早在歸處理器之前 模擬計算機就能建立微分方程 模擬物理問題 數字芯片處理器和內存是分離的 數據在兩者之間來回移動 費時費力 而模擬芯片採用內存計算概念 在同一個物理位置存儲和處理數據 它通過電流 電壓等物理量直接進行運算 速度快 能耗低 是它的先天優勢 然而模擬計算有一個最要命的缺陷 就是不準 所以後來被取代了 而北大團隊通過創新性的算法和電路設計 結合高精度的校準 解決了這一世紀難題 測試結果表明 在求解32x32矩陣求逆問題時 其算力已超越當前高端GPU的單核性能 當問題擴大至128x128時 計算吞吐量更是達到了頂級數字處理器的1000倍以上 同時該方案在能效方面亦表現突出 在相同的精度下 能效比傳統數字處理器提升了100倍以上 後摩爾時代的遊戲規則可能要改變了 未來衡量進步的不再只是看塞了多少晶體管 還要看架構有多聰明 功耗有多低 模擬計算有哪些應用場景呢 首先是6G通信 6G基站要實時處理海量數據 模擬芯片能以超低功耗完成大規模信號檢測 讓你的網速更快 延遲更低 基站也更環保 接着是AI加速 AI訓練的核心是矩陣乘法 它能大幅降低系統的訓練時間和能耗成本 但最革命性的可能是邊緣計算 因爲功耗太低了 它能讓AI推理和訓練直接在你的本地設備上跑 未來的智能手機 無人機 穿戴設備和自動駕駛汽車將不再是雲端的工具人 而是真正的在本地學習進化的自主大腦 這讓他在推理加速等特定場景中成爲了英偉達GPU的潛在挑戰者 不過呢 這些都還在實驗室階段 要實現大規模商業化 還有幾個問題要解決 首先是製造穩定性 模擬設備可能會受到大型陣列變化的影響 從而影響規模進度 然後是集成 將模擬芯片整合到現有的數字基礎設施中 需要新的設計框架 當然還有可靠性 壽命和軟件生態系統的問題 但無論如何 模擬與數字融合計算的時代可能已經開始了 谷歌一直在主張自己的量子霸權 2019年穀歌從用一個名爲隨機電路採樣的人物震動了學界 進入谷歌公司 再次重申量子霸權 但不同於2019年相對抽象的數學問題 這一次谷歌展示的量子回升算法 只在模擬真實的物理系統 使其更接近實際運用 模擬的對象是核磁共振現象中的自旋交互作用 具體來說是模擬分子中原子核的自旋如何相互作用 如何隨時間演變 以及如何被外部磁場影響 算法的原理是時間繁衍 科學家通過操縱量子迴路 先把信息制亂 然後再精確的逆轉這一過程 就像時間倒流一樣 觀察並測試量子動態 這種量子回升就是從混亂中恢復出來的信號 這種算法不僅測試了量子計算機的計算複雜度 還測試了最終結果的精確定量準確性 谷歌宣稱 這次實驗的計算速度比最強大的經典超級計算機大約快了1.3萬倍 研究細節已於10月22號發表在了自然雜誌上 近日 中國科學家在篩選首批月貝岩石樣本時 意外的發現了一種罕見的隕石碎片 從顯微鏡圖像中可以看到月球對面樣本的晶體形狀 起初 研究人員認爲這些樣本來自月曼 但在分析了碎片中的鐵錳和鋅的含量後 他們發現這些成分與月球物質的含量不匹配 這表明它們並非來自月球本身 因此 研究小組測試了樣本中的三種氧同位素的相對含量 就像人類採集指紋來做取證一樣 可以告訴你這些碎片來自哪種類型的行星體 研究發現 該同位素特徵與人類已經研究過的兩顆岩石小行星 龍宮和貝努的同位素特徵非常相似 它們倆都含有早於太陽系的產業顆粒 以及水等揮發性的化合物 對新碎片的分析似乎證實 這類小行星爲月球帶來了大量的水和其他化合物 通過進一步研究樣本的化學成分 科學家或許能夠確定這些太空岩石在地球和月球的形成過程中 所扮演的角色 這一發現還是蠻驚喜的 因爲這類隕石撞擊地球后很少能存活下來 因此樣本非常稀少 飛機引擎對材料的要求簡直苛刻到了極點 他們必須在幾千轉的速度下承受極高的溫度和壓力 一直以來 劣跡高溫合金都是王者 但它的使用極限大約在1100攝氏度左右 這個溫度瓶頸嚴重限制了我們提升引擎效率的可能 近日德國卡爾斯魯沃理工學院的一個研究團隊開發出了一種新型合金 這種各木和硅的新型組合在室溫下具有延展性 其熔點約爲2000攝氏度 即使在高溫下也能保持穩定 同時還具有抗氧化性 相關研究已於10月8號發表在了自然雜誌上 這種頗具顛覆性的新材料解決了南榮金屬長久以來的三大難題 第一 它熔點超高 比現有材料提高了近一倍 可以大幅提升引擎的工作溫度 第二 它不再玻璃心 在常溫下韌性良好 第三 超級抗氧化 這是最關鍵的 南榮金屬在600到700攝氏度就開始被氧氣快速輻射失效 必須在真空下才能使用 而這種新合金的氧化速度變得極其緩慢 極大的提高了它的耐用性 在渦輪機中 工作溫度每提高100攝氏度就能讓燃油消耗減少大約5% 在全球航運和能源消耗的規模下 這是一個多大的數字 提起建築材料 大家首先想到什麼 鋼筋水泥 對不對 但如果我告訴你有一種木頭 它的強度重量比可以達到鋼材的10倍 而且重量只有鋼材的六分之一 你敢信嗎 美國的一家公司真的製造出了這種木頭 它不是什麼新的合成纖維 只不過是木頭經過了分子級別的改造 脫胎換骨 成爲了比鋼材更輕更強的超級木頭 這個超木是怎樣煉成的呢 首先通過熱水煮一煮 去除那些比較軟的 支撐力較低的部分 保留住木頭最核心的納米纖維骨架 接下來再對其進行高溫高壓處理 把木頭裏的大部分空氣和孔隙全部擠壓出來 被保留下來的納米纖維會重新排列 並形成大量的氫濺 這些氫濺就像無數的分子膠水 將纖維素緊密的結合在一起 結果就是啊 雖然它的密度只增加了4倍左右 但它強度卻能提升10倍以上 而且它還防水防黴防蟲防腐 甚至能通過A級防火測試 這意味着超級木頭幾乎消除了傳統木材的所有缺點 是不是很神奇 以後木頭製造的飛機和汽車可能要捲土重來了