随着智能信息化社会对算力需求的不断增长，高能效和高安全性的计算芯片成为了支撑科技创新和社会进步的关键基础设施。全球通用计算设备的能源消耗正在以指数级增长，而能源生产增长有限。面对这种趋势，传统基于工艺的设计方法已不足以应对日益增长的算力需求。新兴计算范式作为设计方法学的演进产物，通过新的算法、架构及电路设计范式来挖掘现有半导体技术的计算承载潜能，成为提升计算能效的重要手段。同时，考虑到高度互联的信息系统对硬件安全性提出的要求，新兴技术的部署必须确保安全可信。

高能效新兴计算的发展现状主要讨论了三个方面的内容：

新兴可容错计算电路：主要介绍了近似计算和随机计算两种新兴电路设计范式。近似计算采用非精确的系统设计和电路结构，换取硬件性能、能效和面积效率的提升。随机计算则通过数字化概率的形式表示和处理信息，简化运算单元，提高容错性和能效。

新兴存内计算芯片架构：存内计算能有效解决数据传输带来的能效问题。文章分析了两种主要的技术路径：近存计算和模拟存内计算。近存计算将CPU与DRAM存储一体化封装，实现快速访存。模拟存内计算则是基于交叉存储阵列实现乘加运算。

新兴脑启发式计算算法：主要探讨了受生物智能启发的高能效计算方法，特别是神经拟态计算与脉冲神经网络和超维矢量计算。脉冲神经网络使用基于事件驱动的稀疏计算，模仿生物神经系统。而超维矢量计算则模仿人脑处理高维数据，实现高效的信号查询和比对。

另外文章也讨论了新兴计算范式在硬件设计以及安全可信方面面临的挑战：

电路设计方面，可容错计算电路面临精度评估难度大、系统级误差分析管理、跨层设计与协同优化难，EDA设计工具缺少等技术挑战；存内计算架构则面临工艺偏差敏感、计算精度不占优势、电路可靠性不强、芯片散热难等技术难题；类脑计算算法则面临训练难度高、电路设计待优化、与非易失器件结合工艺不够成熟等问题。

在安全可信方面，在能耗受限的条件下实现安全可信认证和数据机密性难度较大，而可容错计算电路可能因误差不可预测性引入硬件木马等新的安全风险，另外深度神经网络模型面临对抗样本攻击和后门攻击等安全威胁。论文也提到了为应对这些安全挑战而提出的多种安全计算架构。

文章最后对新兴计算范式的未来发展进行了技术展望，在中短期内侧重于对现有技术的优化和应用，而在中长期着眼于新型器件和计算载体的突破，以实现计算技术的飞跃性发展。

刘伟强，陈珂，吴比，邓尔雅，王佑，龚宇，崔益军，王成华. 高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望. 中国科学：信息科学，2024年第1期，doi：10.1360/SSI-2023-0316