近日，國(guó)內(nèi)芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)正式宣布全球首款基于可逆計(jì)算架構(gòu)的 “冰河芯片” 成功誕生，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試，該芯片相比同性能傳統(tǒng)芯片能效比提升 30% 以上，最高可支持 512TOPS/W 的算力密度。這一突破不僅填補(bǔ)了可逆計(jì)算商業(yè)化芯片的全球空白，更為解決 AI 算力爆發(fā)帶來(lái)的能源危機(jī)提供了全新路徑，標(biāo)志著我國(guó)在新型計(jì)算架構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從理論到產(chǎn)品的關(guān)鍵跨越。

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冰河芯片的核心革新在于顛覆了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的不可逆運(yùn)算邏輯，從物理底層重構(gòu)了芯片的能量利用模式。傳統(tǒng)芯片遵循 “蘭道爾極限”，每刪除一比特?cái)?shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生固定能量損耗，而 AI 計(jì)算中頻繁的數(shù)據(jù)擦除操作使得 90% 以上的能耗以廢熱形式流失。冰河芯片則采用 “正向運(yùn)算 — 逆向恢復(fù)” 的雙路徑設(shè)計(jì)：在執(zhí)行邏輯運(yùn)算時(shí)，先通過(guò)正向電路完成數(shù)據(jù)處理并保留原始輸入信息，待結(jié)果傳遞后再啟動(dòng)逆向電路恢復(fù)初始狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程無(wú)需刪除數(shù)據(jù)，僅通過(guò)電子信號(hào)的可逆流動(dòng)完成計(jì)算循環(huán)。這種設(shè)計(jì)使芯片熵增率降低至傳統(tǒng)架構(gòu)的 1/5，從根本上減少了熱損耗，實(shí)測(cè)在 AI 推理場(chǎng)景中，同等算力下功耗僅為英偉達(dá) A100 芯片的 68%。

為實(shí)現(xiàn)這一架構(gòu)創(chuàng)新，研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻克了三大核心技術(shù)難題。在硬件層面，自主研發(fā)的 “超導(dǎo)諧振器” 組件將電子流動(dòng)速度降低至傳統(tǒng)芯片的 1/10，配合納米級(jí)磁存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)運(yùn)算狀態(tài)的無(wú)損耗保存，解決了可逆電路的物理實(shí)現(xiàn)難題；在邏輯設(shè)計(jì)上，創(chuàng)新開(kāi)發(fā) “雙軌可逆邏輯門(mén)”，通過(guò)互補(bǔ)信號(hào)傳輸避免信息湮滅，相比 IBM 早年提出的可逆邏輯方案，集成度提升 40%；在軟件適配層面，構(gòu)建了 “傳統(tǒng)指令 — 可逆運(yùn)算” 的翻譯接口，無(wú)需重構(gòu)編程生態(tài)即可兼容現(xiàn)有 AI 框架，破解了可逆計(jì)算長(zhǎng)期面臨的軟件適配瓶頸。目前，該芯片已通過(guò)工業(yè)級(jí)可靠性測(cè)試，在 - 40℃至 85℃環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心與邊緣計(jì)算場(chǎng)景需求。

冰河芯片的誕生恰逢全球算力能耗危機(jī)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前 AI 計(jì)算的碳足跡已占全球溫室氣體排放的 2%，超過(guò)航空業(yè)總排放量，而數(shù)據(jù)中心的電力消耗正以每年 15% 的速度增長(zhǎng)。這款芯片的節(jié)能特性在高負(fù)載場(chǎng)景中價(jià)值尤為顯著：按單個(gè)超算中心部署 1000 片芯片計(jì)算，每年可減少電力消耗約 1200 萬(wàn)度，相當(dāng)于降低碳排放 8600 噸。其應(yīng)用場(chǎng)景已明確覆蓋三大領(lǐng)域：在云端 AI 推理中，支撐大模型連續(xù) 72 小時(shí)無(wú)間斷運(yùn)行且無(wú)需額外散熱設(shè)備；在邊緣計(jì)算領(lǐng)域，適配智能駕駛車(chē)載芯片，使激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊功耗降低至 5W 以下；在物聯(lián)網(wǎng)終端，可延長(zhǎng)低功耗傳感器的續(xù)航時(shí)間至傳統(tǒng)芯片的 2 倍以上。目前，阿里達(dá)摩院與華為海思已啟動(dòng)聯(lián)合測(cè)試，計(jì)劃將其用于下一代數(shù)據(jù)中心算力集群。

從產(chǎn)業(yè)視角看，冰河芯片的突破為后摩爾時(shí)代提供了 “架構(gòu)創(chuàng)新而非制程微縮” 的發(fā)展范本。隨著傳統(tǒng)硅基芯片逼近 3nm 物理極限，單純依靠制程升級(jí)實(shí)現(xiàn)的能效提升已不足 10%，而可逆計(jì)算、存算一體等新型架構(gòu)成為破局關(guān)鍵。冰河芯片與億鑄科技的 ReRAM 存算一體芯片形成技術(shù)互補(bǔ)，共同豐富了國(guó)產(chǎn)芯片的能效優(yōu)化路徑。更重要的是，其核心組件實(shí)現(xiàn) 100% 國(guó)產(chǎn)化，超導(dǎo)諧振器由中科院物理所聯(lián)合研發(fā)，磁存儲(chǔ)單元依托長(zhǎng)江存儲(chǔ)工藝量產(chǎn)，這種 “產(chǎn)學(xué)研用” 協(xié)同模式與穩(wěn)頂聚芯突破光刻機(jī)技術(shù)的路徑一脈相承，彰顯了國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)的協(xié)同創(chuàng)新能力。

資本市場(chǎng)已對(duì)這一突破作出積極反應(yīng)，消息公布當(dāng)日，半導(dǎo)體設(shè)備板塊逆勢(shì)上漲 3.2%，多家機(jī)構(gòu)發(fā)布研報(bào)認(rèn)為可逆計(jì)算將成為下一代計(jì)算架構(gòu)的核心賽道。研發(fā)團(tuán)隊(duì)透露，第二代冰河芯片已進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃采用 3nm 工藝進(jìn)一步將節(jié)能率提升至 50%，同時(shí)開(kāi)發(fā)針對(duì)量子計(jì)算模擬器的專(zhuān)用版本。在政策層面，該技術(shù)已納入 “十四五” 數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)扶持方向，有望獲得大基金三期專(zhuān)項(xiàng)支持。

冰河芯片的誕生不僅是一次技術(shù)創(chuàng)新，更是對(duì)計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展邏輯的重構(gòu)。它證明通過(guò)突破底層物理原理而非單純追趕制程，中國(guó)企業(yè)能夠在高端芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) “換道超車(chē)”。隨著可逆計(jì)算技術(shù)的持續(xù)迭代與商業(yè)化落地，未來(lái)三年有望推動(dòng)全球 AI 算力的單位能耗降低 25% 以上，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展提供核心硬件支撐，更將加速我國(guó)在新型計(jì)算架構(gòu)領(lǐng)域從 “跟跑” 向 “領(lǐng)跑” 的跨越。

來(lái)源：半導(dǎo)體芯科技

審核編輯 黃宇