近日,《科技日报》等多家媒体聚焦报道了一则关于原子级科学计算专用芯片的最新动态:由广东芯培森技术有限公司联合创始人、董事长兼首席科学家刘杰教授团队自主研发的「非冯·诺依曼」架构专用ASIC芯片(Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路)已正式完成芯片设计,即将基于国产成熟半导体工艺投入生产。

这款专用芯片的背后,是一条从高校实验室走向产业化的技术路径。

技术路径:从2022年到2026年的一条架构迭代线

据了解,该芯片的研发可追溯至2022年。彼时,湖南大学集成电路学院教授刘杰团队研发出第一代「非冯·诺依曼」专用芯片架构技术。2023年,团队自主研制出第一代产品。2024年,团队提出第二代「非冯·诺依曼」专用芯片架构的设计方案。

这里所说的「非冯·诺依曼」架构,针对的是传统计算架构在原子级科学计算中的瓶颈。原子级科学计算又称原子模拟或原子建模,通过模拟电子、原子的运动,从微观层面计算物质体系的结构、能量、动力学演化与物性。进行原子级科学计算时,在传统「冯·诺依曼」架构下,CPU/GPU芯片长期面临存储墙与功耗墙难题——数据在「存」与「算」之间反复搬运的开销,导致大体系原子模拟速度慢、成本高,难以在工程实践中落地。

而刘杰团队自主创新开发的「非冯·诺依曼」专用芯片架构,是让数据紧靠存储位置参与运算,从底层减少了数据搬运带来的开销,最终实现计算速度显著提升、能耗显著下降。

从实验室到企业:成果转化的路径

一项技术从实验室走向产业,中间需要制度设计与组织保障。据记者采访了解,为推动成果转化,2024年,由湖南大学持股的湖南培森电子科技有限公司成立,作为该项技术的成果转化主体。同年,湖南培森电子科技有限公司与经营团队合资成立广东芯培森技术有限公司,并获得战略投资,进一步开展成果转化。

在这一架构中,湖南培森电子科技有限公司承担的是高校成果转化的职能,广东芯培森技术有限公司则是合资产业化公司,负责将技术转化为产品与服务推向市场。芯培森联合创始人、董事长兼首席科学家刘杰教授,同时是湖南大学集成电路学院的教授——这种学界与产业界的双重身份,是技术从实验室走向生产线的一个衔接点。

算力中心与应用落地

芯片设计的完成,只是产业化的第一步。芯片需要被封装为服务器,服务器需要被部署为算力中心,算力中心需要被用户使用,才能形成产业闭环。

记者走访发现,基于团队成果建设的首个规模化「非冯·诺依曼」架构的原子级计算专用算力中心已在广东佛山建成。这座算力中心由芯培森合资建设,目前已完成100台赫曦服务器部署,后续将正式投入运营使用。

在应用方面,据了解,依托该项目研发的算力服务器已应用于国内外多家企业、高校和科研院所,覆盖锂电材料、合金材料等方向。这些应用场景的共同特点是:材料体系复杂、计算量大、对精度要求高——通用算力在这些场景中往往难以兼顾效率与成本,专用算力则更能发挥优势。

从一颗芯片到一套生态

芯片投产只是起点。至于它能否被更多研发团队采用,取决于围绕芯片建立的软件生态是否完善、服务网络是否到位、使用成本是否可承受。从实验室里的芯片原型,到产线上的批量制造,再到科研人员的日常工具——这条路径上的每一步,都需要具体的产品与服务来支撑。

据了解,在芯培森的产品体系中,这款专用ASIC芯片被称为APU(Atomistic Processing Unit,原子级物质计算专用算力单元)。以APU为核心的赫曦服务器采用超异构计算架构(CPU+GPU+APU协同),正是芯培森「三元闭环」生态的硬件底座。

在此之上,芯培森已构建起超级终端(芯培森·MaterHaven)、智能体(芯培森·MaterPlato)与计算服务(芯培森·SwiftMater)的三元闭环:超级终端提供算力,智能体降低使用门槛,计算服务保障交付质量。9月10日教师节,芯培森·SwiftMater的正式发布,标志着这一闭环在面向用户的一端完成了落位。

对于依赖算力开展材料研发的科研团队而言,专用ASIC芯片的量产与芯培森三元闭环生态的建立,有望降低获取专用算力的门槛——不必再在通用算力上做低效的妥协。

产业影响

专用ASIC芯片即将投产的消息,放在更大的产业背景下来看,有值得注意之处。目前,全球范围内面向大体系科学计算的专用芯片仍属稀缺,大多数科研团队仍在通用CPU/GPU上运行原子模拟程序。当专用ASIC从设计图纸走向量产产线,原子级科学计算有机会从少数人的专用工具,变为更多研发团队的可选项。这条路的终点尚未可见,但至少,第一步已经迈出。