攻堅(jiān)全球頂尖水平！武漢存算一體芯片“喻家山二號(hào)”進(jìn)入關(guān)鍵期

武漢的科創(chuàng)底氣，從來(lái)都藏在喻家山下的實(shí)驗(yàn)室里。6月20日，華中科技大學(xué)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里燈火通明，電流聲伴著鍵盤(pán)敲擊聲此起彼伏，馮丹教授帶領(lǐng)的存算一體芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)正全力攻堅(jiān)——“喻家山二號(hào)”芯片研發(fā)正式進(jìn)入關(guān)鍵沖刺期。
就在一年半前，同一片實(shí)驗(yàn)室里誕生了全球存儲(chǔ)容量最大的MRAM存算一體芯片“喻家山一號(hào)”，一舉打破了統(tǒng)治計(jì)算機(jī)領(lǐng)域70余年的技術(shù)瓶頸。從追趕到領(lǐng)跑，從實(shí)驗(yàn)室突破到產(chǎn)業(yè)化落地，這支武漢本土的科研團(tuán)隊(duì)，正在用自研技術(shù)撬開(kāi)高端存儲(chǔ)芯片的全球賽道。

華科大信息存儲(chǔ)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室存算一體芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)

一、打破70年架構(gòu)瓶頸，指甲蓋大的芯片藏著頂尖算力
很多人不理解，存算一體芯片到底厲害在哪？
過(guò)去70多年，全球計(jì)算機(jī)都遵循馮·諾依曼架構(gòu)：存儲(chǔ)和計(jì)算是兩個(gè)完全獨(dú)立的單元，數(shù)據(jù)要像搬家一樣，從存儲(chǔ)單元運(yùn)到計(jì)算單元，算完再運(yùn)回存儲(chǔ)區(qū)。就像倉(cāng)庫(kù)和辦公室隔了幾條街，每次辦公都要來(lái)回跑倉(cāng)庫(kù)取貨，90%以上的時(shí)間和能耗，都耗在了數(shù)據(jù)搬運(yùn)的路上。
AI時(shí)代這個(gè)問(wèn)題被無(wú)限放大：大模型要處理海量數(shù)據(jù)，來(lái)回搬運(yùn)不僅拖慢算力，還會(huì)產(chǎn)生極高的功耗，高端AI芯片動(dòng)輒幾百瓦的功耗，很大一部分都浪費(fèi)在了數(shù)據(jù)傳輸上。算力越升級(jí)，能耗瓶頸越突出，這成了制約AI發(fā)展的核心難題。
而存算一體，就是直接把計(jì)算能力搬進(jìn)存儲(chǔ)單元，讓數(shù)據(jù)“原地辦公”，不用來(lái)回搬運(yùn)就能直接完成計(jì)算，從根源上解決馮·諾依曼架構(gòu)的能耗瓶頸。相當(dāng)于直接在倉(cāng)庫(kù)里辦公，省去了來(lái)回運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和成本。
2024年11月落地的“喻家山一號(hào)”，就是這條技術(shù)路線上的全球標(biāo)桿。單塊芯片面積不到2平方厘米，還沒(méi)成年人指甲蓋大，卻藏著十足的硬實(shí)力：存儲(chǔ)容量64Mb，算力達(dá)到30.1TOPS，也就是每秒能完成30.1萬(wàn)億次AI運(yùn)算，能效比更是高達(dá)140.54TOPS/W——簡(jiǎn)單說(shuō)，每消耗1瓦的電量，就能支撐140.54萬(wàn)億次運(yùn)算，能效水平遠(yuǎn)超主流高端邊緣AI芯片。
更關(guān)鍵的是，它采用的是MRAM磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)路線，斷電之后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)兼具讀寫(xiě)速度快、壽命長(zhǎng)、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。比起業(yè)內(nèi)更常用、但斷電丟數(shù)據(jù)的SRAM路線，MRAM更適配未來(lái)AI大模型、端側(cè)智能設(shè)備的長(zhǎng)期需求，是高端存儲(chǔ)芯片的核心發(fā)展方向。
二、十年啃下硬骨頭，別人選捷徑他們走難路

這份亮眼的成績(jī)，不是一朝一夕碰出來(lái)的，是團(tuán)隊(duì)埋頭苦干了十年磨出來(lái)的。

牽頭人馮丹教授和存儲(chǔ)技術(shù)打了半輩子交道。1987年，17歲的她考入華中工學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)，第一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)馮·諾依曼架構(gòu)時(shí)，她怎么也想不到，幾十年后自己會(huì)成為這一經(jīng)典架構(gòu)的突破者。
2006年，已經(jīng)在華科大任教十年的馮丹，投身國(guó)家973計(jì)劃下一代互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)技術(shù)研究。在探索海量存儲(chǔ)模式的過(guò)程中，她越來(lái)越清晰地意識(shí)到傳統(tǒng)架構(gòu)的局限性：數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)，光靠升級(jí)存儲(chǔ)速度、計(jì)算速度，永遠(yuǎn)趕不上數(shù)據(jù)搬運(yùn)的能耗開(kāi)銷。也就是從那時(shí)起，存算一體的構(gòu)想在她心里扎了根。
2009年惠普實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)憶阻器效應(yīng)，給存算一體提供了物理實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)；2014年，馮丹團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“主動(dòng)對(duì)象海量存儲(chǔ)系統(tǒng)”拿下國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，這套讓存儲(chǔ)系統(tǒng)自帶處理能力的技術(shù)，被業(yè)內(nèi)看作存算一體的早期雛形。那一刻，團(tuán)隊(duì)知道，離真正做出存算一體芯片只差臨門(mén)一腳。
但選哪條技術(shù)路線，成了擺在面前的第一道選擇題。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)同行大多選SRAM路線，適配現(xiàn)有工藝、更容易出成果，但SRAM斷電丟數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)密度低，天生不適合大模型時(shí)代的海量數(shù)據(jù)需求。
“要做就做最好的。”馮丹帶著團(tuán)隊(duì)毅然選了更難走的MRAM非易失性存儲(chǔ)路線。從材料特性、單元結(jié)構(gòu)到陣列集成、算法優(yōu)化，四五十人的團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)去，就是整整十年。童薇教授后來(lái)感慨：“很多人的黑發(fā)，都熬成了白發(fā)。”
研發(fā)的路上從來(lái)沒(méi)有一帆風(fēng)順。“喻家山一號(hào)”流片回來(lái)時(shí)，團(tuán)隊(duì)同時(shí)測(cè)試MRAM和ReRAM兩款芯片，ReRAM版本一次點(diǎn)亮，各項(xiàng)指標(biāo)都正常，但MRAM芯片連續(xù)一個(gè)月毫無(wú)反應(yīng)——能正常上電，可示波器測(cè)不到任何信號(hào)，輸入指令也沒(méi)有輸出。
那段時(shí)間整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都籠罩在低氣壓里。馮丹帶著大家逐環(huán)節(jié)排查，從封裝到電路，從設(shè)計(jì)到工藝，翻來(lái)覆去核對(duì)了無(wú)數(shù)遍，最終發(fā)現(xiàn)是芯片的一個(gè)引腳定義弄反了。問(wèn)題解決的那一刻，所有人懸了一個(gè)月的心，才終于落了地。
2025年，團(tuán)隊(duì)又做了一次更大膽的嘗試：把15億參數(shù)的大模型部分計(jì)算任務(wù)，卸載到“喻家山一號(hào)”上運(yùn)行。測(cè)試一次性成功，不僅驗(yàn)證了芯片支撐大模型推理的系統(tǒng)級(jí)能力，更完成了從芯片硬件到專用編譯工具鏈的全棧自研——就像CPU需要編譯器才能運(yùn)行軟件一樣，存算一體芯片也需要專屬的工具鏈，才能把AI模型轉(zhuǎn)化為芯片能識(shí)別的指令。
從硬件突破到軟件配套，“喻家山一號(hào)”不是實(shí)驗(yàn)室里的擺設(shè)樣品，而是一套完整可用的技術(shù)方案。

“喻家山一號(hào)”存算一體芯片（圖片來(lái)源長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)）

三、二號(hào)芯片攻堅(jiān)沖刺，瞄準(zhǔn)更高算力更廣場(chǎng)景
一號(hào)的成績(jī)沒(méi)有讓團(tuán)隊(duì)停下腳步。僅僅過(guò)去一年多，“喻家山二號(hào)”的研發(fā)就已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵攻堅(jiān)期。
按照規(guī)劃，二號(hào)芯片會(huì)在一號(hào)的技術(shù)基礎(chǔ)上全面迭代升級(jí)：核心的算力和能效比會(huì)進(jìn)一步提升，存儲(chǔ)容量和集成度也會(huì)同步優(yōu)化，重點(diǎn)攻克更高精度的原位計(jì)算、多場(chǎng)景適配等核心技術(shù)難題。
簡(jiǎn)單說(shuō)，一號(hào)驗(yàn)證了存算一體技術(shù)的可行性，完成了“從0到1”的突破；二號(hào)就是要往“從1到N”的產(chǎn)業(yè)化方向走，讓芯片能適配更多的應(yīng)用場(chǎng)景，支撐更大規(guī)模的AI模型，從實(shí)驗(yàn)室樣品真正走向千行百業(yè)的落地應(yīng)用。
比如在端側(cè)AI場(chǎng)景，手機(jī)、智能穿戴、安防設(shè)備的芯片不能有太高功耗，又要支撐本地AI運(yùn)算，存算一體的高能效優(yōu)勢(shì)就能完全發(fā)揮；在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，車載芯片需要實(shí)時(shí)處理海量傳感器數(shù)據(jù)，低延遲、低功耗的存算一體芯片，能給智能駕駛提供更可靠的算力支撐；還有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算服務(wù)器，都能靠這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)算力升級(jí)、能耗下降。
現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里的每一天，團(tuán)隊(duì)都在對(duì)著測(cè)試數(shù)據(jù)反復(fù)打磨。從材料配比到電路設(shè)計(jì)，從算法優(yōu)化到工藝適配，每一個(gè)參數(shù)的提升，都要經(jīng)過(guò)上百次的測(cè)試驗(yàn)證。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，二號(hào)芯片不只是技術(shù)參數(shù)的升級(jí)，更是國(guó)產(chǎn)存算一體技術(shù)從領(lǐng)先到持續(xù)領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步。
四、破壟斷建標(biāo)準(zhǔn)，打通產(chǎn)業(yè)落地最后一公里

對(duì)高端芯片來(lái)說(shuō)，光有技術(shù)突破還不夠，能不能建立自主的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，才是能不能真正打破國(guó)外壟斷的關(guān)鍵。
“喻家山一號(hào)”問(wèn)世后，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有停在實(shí)驗(yàn)室里，馬上就對(duì)接了產(chǎn)業(yè)鏈上下游的多家領(lǐng)軍企業(yè)，推進(jìn)芯片的小批量試產(chǎn)和場(chǎng)景化應(yīng)用測(cè)試，重點(diǎn)解決工藝適配、成本優(yōu)化、批量生產(chǎn)的核心問(wèn)題，加速技術(shù)的商業(yè)化落地。
但一道無(wú)形的壁壘橫在面前：長(zhǎng)期9以來(lái)，全球集成電路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、生態(tài)體系都由國(guó)外企業(yè)主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)廠商只能跟著別人的規(guī)則走，處處受制于人。存算一體作為全新的技術(shù)賽道，如果沒(méi)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展就會(huì)“無(wú)標(biāo)可依”，很容易再被國(guó)外卡脖子。
“技術(shù)創(chuàng)新必須有標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)。”馮丹深知其中的利害。去年，她牽頭組織國(guó)內(nèi)高校、科研院所和龍頭企業(yè)，正式啟動(dòng)存算一體技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。項(xiàng)目組系統(tǒng)梳理了技術(shù)架構(gòu)、性能指標(biāo)、測(cè)試方法等核心內(nèi)容，形成了完整科學(xué)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案，目前已經(jīng)正式提交申報(bào)材料。
這套標(biāo)準(zhǔn)一旦落地，不僅能結(jié)束國(guó)內(nèi)存算一體產(chǎn)業(yè)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的局面，更能構(gòu)建起自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，讓國(guó)內(nèi)企業(yè)不用再跟著國(guó)外的規(guī)則走，從技術(shù)突破到標(biāo)準(zhǔn)制定，真正掌握賽道的話語(yǔ)權(quán)。
這也是“喻家山”系列芯片最深遠(yuǎn)的意義：它不只是一款性能領(lǐng)先的芯片，更是帶動(dòng)整個(gè)國(guó)產(chǎn)存算一體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心支點(diǎn)。從技術(shù)研發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)制定，再到產(chǎn)業(yè)落地，一條完整的自主產(chǎn)業(yè)鏈正在武漢成型。

存算芯片板卡（圖片來(lái)源長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)）

五、喻家山下的科創(chuàng)力量，撐起武漢芯片產(chǎn)業(yè)新高度

從光谷的光芯片，到華科大的存算一體芯片，武漢的硬科技實(shí)力，從來(lái)都不是喊出來(lái)的，是一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)熬出來(lái)的。
華中科技大學(xué)作為武漢科教資源的核心力量，在信息存儲(chǔ)、光電技術(shù)領(lǐng)域深耕幾十年，積累了深厚的技術(shù)底蘊(yùn)。“喻家山”系列芯片的突破，就是武漢科教優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的典型樣本：高校做核心技術(shù)攻關(guān)，對(duì)接光谷的芯片產(chǎn)業(yè)集群，快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地和產(chǎn)業(yè)化，形成“研發(fā)-轉(zhuǎn)化-產(chǎn)業(yè)”的完整閉環(huán)。
存算一體被公認(rèn)為后摩爾時(shí)代AI芯片的核心技術(shù)路線，是全球芯片行業(yè)角逐的新賽道。武漢提前布局、率先突破，拿下了全球領(lǐng)先的技術(shù)成果，相當(dāng)于在新賽道上占住了先發(fā)位置。隨著二號(hào)芯片的推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化落地，未來(lái)武漢有望打造成為全國(guó)存算一體產(chǎn)業(yè)的高地，吸引更多上下游企業(yè)落地，帶動(dòng)整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)。
對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)也不是遙不可及的實(shí)驗(yàn)室概念。未來(lái)隨著存算一體芯片的普及，我們用的手機(jī)可能續(xù)航更長(zhǎng)、本地AI運(yùn)算更快，智能汽車的算力更強(qiáng)、功耗更低，數(shù)據(jù)中心的能耗能大幅下降，AI大模型的運(yùn)行成本也會(huì)更低。技術(shù)突破最終會(huì)落到每個(gè)人的生活里，變成實(shí)實(shí)在在的便利。

未封裝的“喻家山1號(hào)”存算一體芯片（圖片來(lái)源長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)）

從十年埋頭攻關(guān)，到一號(hào)全球領(lǐng)先，再到二號(hào)全力沖刺，喻家山下的這支團(tuán)隊(duì)，一直在用實(shí)干突破國(guó)外技術(shù)壟斷。小小的芯片里，藏著的是武漢科創(chuàng)的底氣，更是國(guó)產(chǎn)芯片突圍的希望。未來(lái)隨著“喻家山二號(hào)”的落地和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的完善，我們會(huì)看到更多國(guó)產(chǎn)存算一體芯片走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)千行百業(yè)，在新的芯片賽道上，跑出中國(guó)速度。
你看好存算一體芯片的發(fā)展前景嗎？對(duì)武漢的科創(chuàng)實(shí)力有什么想說(shuō)的？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。