近日，湖南大学电气与信息工程学院刘杰教授课题组自主研制出了“存算一体”非冯·诺依曼类脑芯片架构，用于加速分子动力学高性能科学计算。相较主流Intel CPU、NVIDIA GPU芯片，在保持计算高精度前提下，实现了约2个数量级提速。研究成果以“Accurate and efficient molecular dynamics based on machine learning and non von Neumann architecture”为题，发表在npj Computational Materials期刊。第一作者为电气院博士生莫平辉，通讯作者为刘杰教授。
刘杰，湖南大学电气学院教授、博导，主要从事人工智能技术、新型类脑芯片、非易失性半导体器件等国际前沿领域的相关研究。已在国际高水平期刊和会议上发表多篇学术论文，申报多项美国专利和PCT国际专利。
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等高性能科学计算时，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（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2个数量级；并可将计算功耗降低大约3个数量级。
该成果提出的新型NVNMD兼具AIMD级别的高精度、CMD级别的高速度，在物理、化学、生物、制药、地质、材料、半导体、纳米技术等领域有广泛应用前景。
该成果得到了国家自然科学基金、湖南省科技厅、长沙市科技局、华为技术有限公司等经费支持。目前，该团队正在基于高端工艺节点，设计非冯·诺依曼架构ASIC芯片的NVNMD（第二版），旨在实现单节点（平方cm量级芯片、百瓦量级功耗、新型非冯·诺依曼芯片架构）分子动力学算力大致相当于美国最强超算中心Summit算力总和（占地一栋楼、十兆瓦量级功耗、传统冯·诺依曼芯片架构）的研究目标。
科技兴民族才能兴，科技强国家才会强。高校作为国家创新体系的重要组成部分，一方面通过培养创新型人才为国家建设，特别是世界科技强国建设提供人才支撑；另一方面，通过不断提升自身科技创新能力为科技自立自强、建设世界科技强国作出不可替代的贡献。
作为“千年学府，百年名校”，湖南大学科研实力雄厚，拥有国家重点实验室2个、国家工程技术研究中心2个、国家工程研究中心1个、国家级国际合作基地3个、国防科工局国防重点学科实验室1个、教育部重点实验室和工程研究中心9个、教育部高等学校学科创新引智基地5个，为师生开展科研和教研活动提供了广阔平台。
近年来，湖南大学积极推动科研团队与教学团队融合、科研基地与教学基地结合，鼓励教师将学术研究经验、体会和成果融入教学，教研相长和教学相长，将科研成果向课程教学内容转化，大力支持具有科学前沿性、学科融合性、理论实践性、内容学术性的学类及专业核心课建设。
与此同时，为涵育学生科研创新素养，湖南大学持续推进和优化大型精密贵重仪器设备面向本科生开放工作，依托大型仪器设备培养本科生实践创新能力；实施“本科生科研能力提升计划”，通过设立科研能力提升专项基金、实施科研训练和成果学分认定转换，有效推动学生进课题、进实验室、进团队；强化本科生科研项目指导，倡导“科研导师”制度，鼓励教师在科研团队中吸纳本科生，支持导师带领本科生参加学术会议，指导学生参加科研训练。在学校的精心培养下，湖南大学涌现出一批在本科阶段就显现出较强科研能力的青年人才：
右二为王晗
2021年5月，湖南大学2018级本科生王晗作为第七届全国高能量密度物理青年科学家论坛上唯一被推选做口头报告的本科生，作了题目为《提升数百太瓦激光伽马光源能量的新方案》的学术报告。在余金清教授的指导下，针对“数百TW激光脉冲能否产生GeV级高能伽马射线”这一科学问题展开了近2年的探索，提出了一种全新的且可望在实验中实现的理论方案。该研究内容代表了激光高能伽马射线领域的最新进展，可望基于现有高功率飞秒激光开展实验研究，得到了与会专家学者的一致好评。
同年8月，学校2018级本科生魏益洲在刘建军副教授的指导下，在光学期刊Optics Letters上发表论文。该论文提出利用简单的圆形双电介质柱（double dielectric rods,DDR）（电介质柱即为散射子）作为整体旋转六次得到双点位蜂窝晶格（double-site honeycomb lattice,DSHL）原胞，然后将其进行三角晶格阵列得到双点位蜂窝晶格光子晶体（DSHL PC）。通过在径向及切向上操作DDR，使DSHL PC发生能带反转从而实现拓扑相变。
青年人才是未来科研的中坚力量。湖南大学将立足中华民族伟大复兴战略全局和世界百年未有之大变局，把服务国家作为最高追求，牢牢把握培养社会主义建设者和接班人这个根本任务，帮助学生早立志、立大志，努力让每位学子成为新时代经世致用领军人才。欢迎各位高三学子报考湖南大学，在这里为科研之梦铸造腾飞的翅膀，向未来启航！
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