非負矩陣分解是挖掘高維數(shù)據(jù)潛在結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于推薦系統(tǒng)、生物信息學、圖像處理等多個領(lǐng)域。北京大學人工智能學院孫仲研究員團隊瞄準這一技術(shù)，設(shè)計了一種模擬計算芯片，為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理提供了全新高效方案。和當前先進數(shù)字芯片相比，計算速度可提升約12倍，能效比提升超過228倍，相關(guān)成果已于近日發(fā)表于《自然·通訊》。 

孫仲1月22日告訴科技日報記者，非負矩陣分解是一種強大的“數(shù)據(jù)降維”技術(shù)。它能從巨量且龐雜的用戶行為、圖像像素等信息中，提煉出潛在的模式與特征，在圖像分析、信息聚類、個性化推薦等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但面對如今動輒百萬級規(guī)模的數(shù)據(jù)集，傳統(tǒng)數(shù)字硬件受計算復(fù)雜度和內(nèi)存瓶頸限制，難以滿足實時處理需求。 

孫仲團隊一直研究模擬計算。模擬計算直接利用物理定律實現(xiàn)并行運算，延時低、功耗低，在算力瓶頸背景下，具有先天優(yōu)勢。團隊此次研制出了基于阻變存儲器（RRAM）的非負矩陣分解模擬計算求解器，并創(chuàng)新性設(shè)計了一種可重構(gòu)緊湊型廣義逆電路，通過電導(dǎo)補償原理，用最少的計算單元實現(xiàn)相同運算功能，對非負矩陣分解過程中最核心的計算步驟進行了優(yōu)化，實現(xiàn)一步求解，極大優(yōu)化了芯片的面積與能耗表現(xiàn)。

為驗證芯片性能，研究團隊搭建了測試平臺，在典型場景中進行驗證。在圖像壓縮任務(wù)中，和在全精度數(shù)字計算機上運行的結(jié)果相比，圖片精度損失相差無幾，還節(jié)省了一半的存儲空間；在推薦系統(tǒng)應(yīng)用中，其預(yù)測誤差率和數(shù)字芯片計算結(jié)果高度相近。在MovieLens 100k數(shù)據(jù)集推薦系統(tǒng)訓(xùn)練任務(wù)中，與主流可編程數(shù)字硬件相比，該模擬計算器實現(xiàn)了212倍的速度提升和4.6萬倍的能效提升；在網(wǎng)飛（Netflix）規(guī)模數(shù)據(jù)集的推薦系統(tǒng)訓(xùn)練任務(wù)中，其計算速度較先進數(shù)字芯片提升約12倍，而能效比提升超過228倍。

“這項工作為非負矩陣分解這類約束優(yōu)化問題的實時求解開辟了新路徑，展現(xiàn)了模擬計算處理現(xiàn)實復(fù)雜數(shù)據(jù)的巨大潛力。”孫仲表示，該研究可為實時推薦系統(tǒng)、高清圖像處理、基因數(shù)據(jù)分析等場景帶來技術(shù)革新，助力人工智能應(yīng)用向更高效、更低功耗方向發(fā)展。（記者張蓋倫）