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模拟电子技术论文北大团队开发新型模拟计算电路，实现微秒级一步求解压缩感知还原

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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北大团队开发新型模拟计算电路，实现微秒级一步求解压缩感知还原

近期，北京大学孙仲研究员课题组在模拟计算领域取得重要突破，基于忆阻器（又称阻变存储器）阵列，成功实现了在微秒级一步求解复杂的压缩感知还原问题。

在该研究中，他们首先设计了一步实现“矩阵-矩阵”乘法的存内模拟计算单元，并基于该单元构建反馈回路，实现连续时间内一步还原压缩感知信号。

研究人员利用该电路在实验中还原了一维稀疏信号、二维彩图和核磁共振影像，其归一化均值误差低至 0.01，图片的峰值信噪比达到 27dB。在求解速度上，该电路比深度学习等数字计算方法快 1 至 2 个数量级。

孙仲表示：“我们的新方法最大的优势是速度极快，目前在实验上能够实现几微秒求解压缩感知还原。如果用带宽更宽的运算放大器，则能够在纳秒量级完成。在进行图片或影像还原时，可能最终时间只需要几毫秒。”

同时，该方法优于其他的电子或光子模拟计算方案，为压缩感知终端设备的实时信号处理提供了一种全新的解决方案，有望促进实现先进的医疗、通信和图像处理技术，例如核磁共振成像及信道估计。

“我们的电路解决的是稀疏近似的问题，在信道估计方向，可通过追踪信道实时更新信息，为提升未来 5G、6G 无线服务的质量提供可靠的预测方法。”孙仲说道。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

近日，相关论文以《实现一步还原压缩感知的存内模拟计算方案》（In-memory analog solution of compressed sensing recovery in one step）为题在 Science Advances 发表[1]。北京大学博士生王识清为论文第一作者，孙仲为论文通讯作者。

图丨孙仲（右）与王识清（来源：该团队）

压缩感知还原涉及复杂的矩阵计算和非线性元素操作，在数字计算机中具有很高的计算复杂度。

近年来，基于新型计算范式的压缩感知还原计算加速得到了一些研究进展，但这些方案往往依赖于数字域的矩阵预计算，或离散时间的迭代计算。实际上，这些方案并没有降低计算复杂度，这些因素可能会引起额外的模数转换成本。

因此，一步实现压缩感知还原是一项巨大的挑战。孙仲解释说道：“在我们的研究开始之前，最多是用忆阻器阵列做出一个矩阵-向量乘法，而矩阵-矩阵乘法则被认为是不可能实现的。”

图丨用于一步求解压缩感知还原的内存模拟电路（来源：Science Advances）

为了解决该问题，该团队首先巧妙地设计了一种一步实现“矩阵-矩阵-向量”乘法的模拟存内计算单元，从而避免了以往研究中离散迭代或矩阵乘法的预计算的操作。

在此基础上，研究人员从求解的动力学方程出发，基于忆阻器阵列构建存内模拟计算电路，将该单元与其他模拟元件连接形成反馈回路，包含局部反馈或全局反馈，准确地映射相应的算法，从而实现了无需预计算、无需迭代的一步求解压缩感知还原。

实验中，研究人员首先通过标准的半导体工艺制备了忆阻器阵列，并基于该阵列构建了所设计的压缩感知还原电路。将压缩感知得到的信息转化为电压信号输入到电路中，电路的输出端即可输出还原的原始信号。

图丨在实验中还原一维稀疏信号、二维彩图和核磁共振影像（来源：Science Advances）

值得关注的是，在该研究中，图片的峰值信噪比达到 27dB。现在，已经有较多研究基于忆阻器阵列作为神经网络加速器。但不可忽视的是，忆阻器阵列由于存在噪声，会导致计算精度的问题。

孙仲指出，“我们之所以在信噪比方面取得较好的效果，是因为在压缩感知还原中包含了非线性操作，能够压制噪声，让它具有容错性，这一点和神经网络类似。”

另外，研究人员用模拟计算的方法对图片进行还原，对比结果显示，功耗为传统模拟器件的 2%；以专用数字电路进行比对，该方法的功耗为数字电路的三分之一。

一位了解该研究的专家认为，这个想法新颖而迷人。尽管他们使用的阵列尺寸很小，包括器件制造、电路设计和分析在内的结果证明了他们提出的方法的潜力和可行性。毫无疑问，这项研究有望在未来扩大阻变存储器的应用范围。

另一位专家则表示：“我喜欢这种紧凑的设计，也很欣赏减少模数、数模转换的想法，我认为该电路可能（对于某些应用）会有帮助。”

图丨DeepTech 2022 年“中国智能计算科技创新人物”入选者孙仲（来源：DeepTech）

近年来，孙仲与团队原创性地提出模拟矩阵计算技术，发展了相关基本理论，深入研究了其独特的计算复杂度问题，并完成了实验室阶段的电路验证，研究成果连续多年被写入国际电子器件与系统发展路线图。

凭借以原创、变革性的硬件计算范式，为智能计算相关行业中广泛的矩阵计算提供一种极致的加速技术，孙仲成为 DeepTech 2022 年“中国智能计算科技创新人物”入选者之一。

接下来，孙仲计划带领课题组进一步扩大阵列规模。“我们后续将集中解决大规模集成的问题，希望实现模拟计算电路集成，从而推动真正的应用。”

参考资料：

1.Wang,S. et al. In-memory analog solution of compressed sensing recovery in one step. Science Advances 9,50(2023). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2908

把自己的科研成果安到孩子身上！造假保研事件背后有多少“隐形加分”黑幕？

原标题：把自己的科研成果安到孩子身上！西南交大陈玉钰造假保研事件曝出“隐形加分”内幕

导读

近日，网曝西南交通大学茅以升学院2016级学生陈玉钰保研造假被保送至中科大，受到普遍关注，后西南交大以成绩造假取消陈玉钰的推免资格。西南交大6月19日再通报该事件进展，包括陈玉钰父亲陈帆在内的多名相关责任人受处分。

网曝信息还显示，虽然在进入西南交大后，陈玉钰的学习成绩中等偏下，有好几科考挂了，但她在大一就参与了国家级科研项目，并在大二就以第一作者的身份写出了论文，成功被SCI收录。

半月谈记者在西南交通大学官网上搜索陈玉钰母亲和红杰的相关资料显示，有一篇发表于2018年，被SCI收录的文章的第一作者是陈玉钰，和红杰是第三作者，其父亲陈帆是第五作者。

陈玉钰的事件并非个例。在我们许多普通家长一边抱怨，一边代劳，吐槽为娃做手工怎么这么烦人，偷偷上淘宝买一个交差时，一些“神通广大”的家长却在亲力亲为，从搞科研、策画展、发文章等方面，砸资源、拼人脉，为孩子升学全面助攻。

半月谈记者调查了解到，截至今年，教育部已明确特长生、竞赛生培养与升学加分全面脱钩，但各类“隐形加分”现象仍难杜绝，在校内评优、升学考试的保送名额等方面发挥作用，值得关注。

在西南交通大学官网上，陈玉钰母亲和红杰的相关资料显示，有一篇发表于2018年，被SCI收录的文章的第一作者是陈玉钰

青少年科创项目竟用上大科学装置?

近日，有高校教师吐槽身边同事将自己的科研成果安到孩子身上，还送去参赛拿奖，引起不少“枪手”们共鸣。

一位曾当过“枪手”的博士说，他在不知情的情况下“代工”过一个项目，课题不复杂，是关于空气污染物在密集建筑中的传播。他按照项目需要，做了建筑物周围流场数值模拟，说明建筑不同密度对于气流速度的影响，佐证试验里烟雾的流动跟计算吻合，再配上高清摄像的视频，就拿去给导师交差了。“后来我才知道，这是替某领导的孩子参加一项全国性青少年科技创新比赛做的。”

半月谈记者查阅了某全国性青少年科技创新大赛的官方网站，从获奖名单和线上展厅来看，有几个突出感受：首先，中学组以上的项目水平都已达到硕士乃至博士水平;其次，大城市学生占突出优势;第三，也是最令人惊讶的是，一等奖项目的展示里面XPS(X射线光电子能谱技术)、电子显微镜等高端仪器比比皆是，且不说这是不是学生自己做的，光是这些设备的申请就很难。

例如，南方某省一位高中生的一等奖作品用到了国家大科学装置——上海同步辐射光源，获奖的同时该生还在核心期刊发表了署名为第一作者的论文，第二作者则是上海某国家工程研究中心的一位博士。巧合的是，这位博士所在高校学院的负责人、核心期刊的负责人，不仅与这位高中生同姓，研究方向也重合。另一位获得一等奖的选手，从公开资料检索就能发现，是某院士的直系亲属。

一位科研人员认为，高校和科研单位都会鼓励本科生或者更低年级学生参与业余科研，也会让有想法的学生进入实验室做一些简单的科研项目。因此，高中生使用国家大科学装置看起来不合常规，但程序上并没有问题，更不能就此认为是造假。

但中科院一位研究员则质疑，他曾多次申请使用同步辐射光源科学装置，不仅项目申请门槛高、审批手续严格、排队时间也很长。“批给一个中学生做项目还参加评奖比较罕见，就算通过合作高校申请的实验学时搭便车，也不是一般的关系。”

保送资格的“后门”居然是办画展?

江苏的林女士最近很焦虑。这学期一过，女儿小满离毕业班又近了一级。但是对比其他同学被音乐、绘画和发明奖挤满的简历，仅拿过几次校内三好生的小满显得“没有竞争力”。

林女士后悔，在女儿“简历镀金”的问题上，自己重视得晚了。小满上的小学不错，本以为家长孩子都能松快几年，谁知“战争”一入学就打响。“家长都在拼人脉、拼资源包装孩子。有的家长在出版社工作，连带着孩子作文在报纸上发表好几篇。有的家长会画画，就自己画儿童画、简笔画，小孩儿也每年都能在比赛里拿奖。”

今年起，高校取消自主招生，特长生、竞赛生从此也与升学加分脱钩。但家长对孩子简历上各种文艺特长、发明奖项的热衷却一点儿没减退。

“我不太相信特长生优先录取的路子会堵死。有些门路，就是专门留出来的后门，越是卡得紧，越要努力挤。”李先生的女儿，在东部省份一所非常知名的中学就读。近几年来，学校里流行一股“画展热”：但凡老师的子女，或是家里有门路的孩子，都想尽办法在学校办个人画展。只要办上画展，就会被视为有绘画特长，在升学考评中“占便宜”。

半月谈记者调查了解到，所谓“占便宜”，指的是自主招生、降分录取虽然取消了，但是还有不少语言类高中掌握着高校小语种专业推荐保送的机会。“显性的高招加分，盯着看的太多，反而是这些推荐小语种专业的机会掌握在中学手里。说你特长，你就特长。画画、唱歌等技能都被类比为竞赛获奖，在考评保送资格时加分。”李先生说。

跟硬碰硬的竞赛得奖比，办画展这种软要求更好达到，因此也被家长盯紧，视为一条“金路子”。不少校内老师，都张罗着给自己孩子在学校办个画展。有老师的孩子才上初中，就打好招呼，把一对双胞胎女儿的画展“提上议程”。

门槛高、圈子化、难监督，隐性加分如何约束?

随着特长与加分全面脱钩，依靠隐性权力在升学考试中的助攻行为变得更难，但并未消失。半月谈记者调查发现，这一“钻空子”的行为正在日益“圈层化”，呈现出3种特征：一是门槛高，监督难。二是非直接，取证难。三是圈子化，审核难。例如，科技创新类竞赛加分仍不少见，即使常规高考途径的加分取消了，也会在各种保送、计划中体现。

“艺术圈的搞艺考，学术圈的拼竞赛，各有各的门道，并且越高端越隐蔽，复核困难，但总之都是普通家庭很难参与的高端游戏。”林女士说。

一位985高校的博士说，他曾撞见过不少孩子在父母实验室里摆pose录视频的场景，从选题、发明到写论文，课题选得比研究生论文还难。“我感到深深的恐惧，我们这种985硕博士，辛辛苦苦给领导孩子写课外实践报告，而他们的子女，轻轻松松拿着报告参加各种评奖，不知道在哪个环节就把我们普通家庭的孩子‘干掉’了。”

背靠大树好乘凉，利用隐性权力为学生升学履历镀金、甚至不惜造假的现象并非中国独有。美国的推荐信是学术圈的游戏规则，教授将子女推荐到熟人的实验室里做项目、写论文，是常见的现象。韩国教育部2017年底开展的一项“论文署名不当行为”现状调查显示，共有29所大学出现82起论文学术不端事件。具体表现为大学教师在发表学术论文时，将自己尚在上学的子女署名为共同作者。

教育界人士认为，今年是取消自主招生、实施强基计划的第一年。每一次改革，都有助于打破原本的灰色空间，给教育公平创造新的机会，但也总会产生新“空子”与新“门路”。约束隐形权力，仍然任重道远，既需要升学考试相关部门的他律，也离不开学生及家长的自律。毕竟，道路千万条，做人第一条。再多的镀金、评奖，也没有教育孩子踏踏实实、一步一个脚印地努力重要。

记者：蒋芳王珏玢

北大团队开发新型模拟计算电路，实现微秒级一步求解压缩感知还原

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