报告题目：基于非冯·诺依曼新型芯片架构的高速度低功耗分子动力学计算

报 告 人：刘杰 教授 湖南大学

报告时间：2023年3月30日 09：30-10：30

报告地点：数学楼第二报告厅

校内联系人：闫伟 wyanmath01@sina.com

报告摘要：自1946年发明至今，冯·诺依曼架构一直占据统治地位，是CPU、GPU等主流芯片的基础，也是手机、台式机、笔记本、计算服务器、超级计算中心的底层基础架构。目前，需要运行分子动力学计算时，使用冯·诺依曼架构的计算机是几乎所有研究人员的唯一选择，这已成为一种“固有范式”（paradigm）。遗憾的是，冯·诺依曼架构中，计算单元（例如CPU/GPU）和存储单元（例如内存）是互相独立的（即“存算分离”），导致计算总耗时和计算总功耗中的绝大部分（例如>90%）消耗于存储单元、计算单元之间的频繁数据搬运，俗称“存储墙（memory wall）”和“功耗墙（power wall）”瓶颈。这严重制约了计算性能的提升。为解决该问题，刘杰教授团队自主设计了“存算一体”的类脑芯片架构，并基于FPGA研制出了基于新型非冯·诺依曼芯片架构的分子动力学计算系统“NVNMD”（第一版），实现了从传统冯·诺依曼芯片架构向新型非冯·诺依曼芯片架构的“范式转移（paradigm shift）”。NVNMD的核心计算模块中，存储单元和计算单元紧密融为一体（即“存算一体”），避免了频繁的数据搬运，极大缓解了计算中的“存储墙”和“功耗墙”瓶颈。实测表明，相较主流CPU、GPU等传统冯·诺依曼架构芯片，可将计算速度提升大约1-2个数量级；并可将计算功耗降低大约2-3个数量级。

报告人简介：刘杰，1984年出生，美国University of Washington电子工程博士，2017年至今任湖南大学教授、博士生导师、电子系主任。入选中组部海外高层次人才计划、湖南省百人计划等人才项目。曾长期担任美国Synopsys公司硅谷总部高级研发工程师，负责研发亚10纳米高端芯片的设计工具。在国际学术期刊和会议上发表学术论文50多篇；申报第一作者中国发明专利10多项、美国专利和PCT国际专利13项，其中已授权第一发明人美国专利6项。针对CPU/GPU等冯·诺依曼架构传统“存算分离”芯片内禀的“存储墙”瓶颈，设计了基于非冯·诺依曼架构的新型“存算一体”类脑芯片，运行DeePMD计算时，相较CPU/GPU可实现大幅提速（DOI: 10.1038/s41524-022-00773-z）。