由于業(yè)界持續(xù)推動機器學習（ML）和人工智能（AI）的低功耗高性能處理，大量相關新概念和新技術層出不窮。其中，模擬計算作為一種提高處理效率的方法被重新提出。

這項技術對于給定的應用來說還是相對較新的，而且還有很大的改進空間。最近，IISC的研究人員發(fā)表了一篇論文，描述了未來可擴展模擬AI芯片的新框架。

本文將討論模擬計算對人工智能的好處、面臨的挑戰(zhàn)以及IISC的新研究。

為何轉向模擬?

模擬計算是一種早于數(shù)字計算的技術，但隨著數(shù)字計算的興起，它在很大程度上已經被遺忘了。現(xiàn)在，研究人員再次著眼于模擬，因為今時今日它在某些方面比數(shù)字顯示出了更大的優(yōu)勢。

隨著數(shù)據(jù)速率越來越快、處理節(jié)點越來越小、全球互聯(lián)范圍越來越廣，行業(yè)中的一個新興趨勢是數(shù)據(jù)移動對應能耗的顯著增加。

越來越多的寄生導致數(shù)據(jù)在內存內和內存外的物理移動已經成為芯片整體功耗的最重要因素之一。再加上數(shù)據(jù)密集型應用ML，我們發(fā)現(xiàn)馮·諾伊曼架構不再適合AI/ML。

相反，模擬計算允許內存中的計算，數(shù)據(jù)可以在存儲的地方進行處理。由于總體數(shù)據(jù)移動顯著減少，總體能耗也會顯著降低。因此，在AI/ML應用中，模擬AI可以提供比傳統(tǒng)數(shù)字AI高100倍的能效。

模擬AI的挑戰(zhàn)：縮放

盡管模擬計算具有能效優(yōu)勢，但在成為數(shù)字計算的競爭對手之前，它仍面臨一些挑戰(zhàn)。

AI/ML模擬計算設計的關鍵挑戰(zhàn)之一是，模擬處理器的測試和協(xié)同設計是非常困難的。傳統(tǒng)超大規(guī)模集成電路(VLSI)設計可以由數(shù)百萬個晶體管組成，但工程師可以通過編譯高級代碼來綜合設計。此功能允許在不同流程節(jié)點和產品之間輕松移植相同的設計。

然而，由于晶體管偏置的不同，溫度變化和有限的動態(tài)范圍，模擬芯片無法輕松擴展。其結果是，每代產品和每個流程節(jié)點都需要單獨定制和重新設計。這樣不僅使設計更加耗時、成本更加高昂，而且還降低了可擴展性。

模擬AI要想成為主流，首先需要解決設計和可擴展性方面的挑戰(zhàn)。

IISC的AI擴展框架

為了解決這個問題，IISC的研究人員在他們最近發(fā)表的論文中提出了一個可擴展模擬計算設計的新框架。

他們工作的關鍵圍繞著邊緣傳播(MP)的泛化，這是一種數(shù)學工具，在使用MP原理合成模擬分段線性計算電路方面曾體現(xiàn)過價值。在此基礎上，研究人員開發(fā)了一種新的基于形狀的模擬計算(S-AC)框架，允許研究人員模擬ML架構中常用的不同function。

這個框架可以和數(shù)字設計一樣，在計算精度與速度/功耗之間進行權衡，還可以跨不同的工藝節(jié)點和偏差管理。

為了證明其可行性，研究人員實現(xiàn)了一些S-AC電路，對應ML中幾個不同工藝節(jié)點的常見數(shù)學函數(shù)。結果證明，在180納米CMOS工藝和7納米FinFET工藝中，電路I/O特性在合理范圍內保持一致。

有了新的框架，研究人員希望在不久的將來能夠實現(xiàn)擴展性更強、成本效率更高的模擬AI設計。