報告題目：基于非馮·諾依曼新型芯片架構的高速度低功耗分子動力學計算
報 告 人：劉傑 教授 湖南大學
報告時間：2023年3月30日 09：30-10：30
報告地點：數學樓第二報告廳
校内聯系人：闫偉 wyanmath01@sina.com
報告摘要：自1946年發明至今，馮·諾依曼架構一直占據統治地位，是CPU、GPU等主流芯片的基礎，也是手機、台式機、筆記本、計算服務器、超級計算中心的底層基礎架構。目前，需要運行分子動力學計算時，使用馮·諾依曼架構的計算機是幾乎所有研究人員的唯一選擇，這已成為一種“固有範式”（paradigm）。遺憾的是，馮·諾依曼架構中，計算單元（例如CPU/GPU）和存儲單元（例如内存）是互相獨立的（即“存算分離”），導緻計算總耗時和計算總功耗中的絕大部分（例如>90%）消耗于存儲單元、計算單元之間的頻繁數據搬運，俗稱“存儲牆（memory wall）”和“功耗牆（power wall）”瓶頸。這嚴重制約了計算性能的提升。為解決該問題，劉傑教授團隊自主設計了“存算一體”的類腦芯片架構，并基于FPGA研制出了基于新型非馮·諾依曼芯片架構的分子動力學計算系統“NVNMD”（第一版），實現了從傳統馮·諾依曼芯片架構向新型非馮·諾依曼芯片架構的“範式轉移（paradigm shift）”。NVNMD的核心計算模塊中，存儲單元和計算單元緊密融為一體（即“存算一體”），避免了頻繁的數據搬運，極大緩解了計算中的“存儲牆”和“功耗牆”瓶頸。實測表明，相較主流CPU、GPU等傳統馮·諾依曼架構芯片，可将計算速度提升大約1-2個數量級；并可将計算功耗降低大約2-3個數量級。
報告人簡介：劉傑，1984年出生，美國University of Washington電子工程博士，2017年至今任湖南大學教授、博士生導師、電子系主任。入選中組部海外高層次人才計劃、湖南省百人計劃等人才項目。曾長期擔任美國Synopsys公司矽谷總部高級研發工程師，負責研發亞10納米高端芯片的設計工具。在國際學術期刊和會議上發表學術論文50多篇；申報第一作者中國發明專利10多項、美國專利和PCT國際專利13項，其中已授權第一發明人美國專利6項。針對CPU/GPU等馮·諾依曼架構傳統“存算分離”芯片内禀的“存儲牆”瓶頸，設計了基于非馮·諾依曼架構的新型“存算一體”類腦芯片，運行DeePMD計算時，相較CPU/GPU可實現大幅提速（DOI: 10.1038/s41524-022-00773-z）。
