一枚芯片，集成記憶和計(jì)算能力，保護(hù)用戶(hù)隱私的同時(shí)還具備類(lèi)似人腦的自主學(xué)習(xí)功能，能效相較先進(jìn)工藝下的專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)有約75倍提升。這是清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強(qiáng)、副教授高濱團(tuán)隊(duì)研制出的全球首枚全系統(tǒng)集成、支持高效片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片，有望促進(jìn)人工智能、自動(dòng)駕駛、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)展。近日，該成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。
憶阻器，學(xué)名記憶電阻器，是繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件。斷電后，它仍能“記憶”通過(guò)的電荷，一般被當(dāng)做新型納米電子突觸器件。
此次“芯”突破，研發(fā)團(tuán)隊(duì)努力了11年。
2012年，團(tuán)隊(duì)研究用憶阻器來(lái)做存儲(chǔ)，但由于材料器件優(yōu)化和集成工藝不成熟，只能一遍又一遍地在實(shí)驗(yàn)室里“試錯(cuò)”。兩年后，清華大學(xué)與中科院微電子所、北京大學(xué)等單位合作，優(yōu)化憶阻器的器件工藝，制備出高性能憶阻器陣列，成為我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)憶阻器陣列大規(guī)模集成的重要基礎(chǔ)。
2020年，團(tuán)隊(duì)又基于多陣列憶阻器，搭建了一個(gè)全硬件構(gòu)成的完整存算一體系統(tǒng)。這種架構(gòu)類(lèi)似“在家辦公”的新工作模式，徹底消除了往返通勤的能量消耗，還節(jié)約了辦公場(chǎng)所的運(yùn)營(yíng)成本，在邊緣計(jì)算和云計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用前景。
最終，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)出適用于憶阻器存算一體的高效片上學(xué)習(xí)的新型通用算法和架構(gòu)，研制出全球首顆全系統(tǒng)集成的、支持高效片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片。相同任務(wù)下，該芯片實(shí)現(xiàn)片上學(xué)習(xí)的能耗僅為先進(jìn)工藝下專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)的約3%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)約75倍的能效提升。
“存算一體片上學(xué)習(xí)在實(shí)現(xiàn)更低延遲和更小能耗的同時(shí)，能夠有效保護(hù)用戶(hù)隱私和數(shù)據(jù)?！眳侨A強(qiáng)介紹，該芯片參照仿生類(lèi)腦處理方式，可實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)的快速“片上訓(xùn)練”與“片上識(shí)別”，能夠有效完成邊緣計(jì)算場(chǎng)景下的增量學(xué)習(xí)任務(wù)，以極低的耗電適應(yīng)新場(chǎng)景、學(xué)習(xí)新知識(shí)，滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。比如，有些人習(xí)慣在數(shù)字“7”的中間加一短橫。一開(kāi)始，芯片不認(rèn)識(shí)這個(gè)符號(hào)，訓(xùn)練兩三個(gè)這樣書(shū)寫(xiě)的“7”后，它就能準(zhǔn)確識(shí)別了。
摘下“全球首枚”桂冠的芯片，包含支持完整片上學(xué)習(xí)所必需的全部電路模塊，成功完成了圖像分類(lèi)、語(yǔ)音識(shí)別和控制任務(wù)等多種片上增量學(xué)習(xí)功能驗(yàn)證，展示出高適應(yīng)性、高能效、高通用性、高準(zhǔn)確率等特點(diǎn)，有效強(qiáng)化智能設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，有望促進(jìn)人工智能、自動(dòng)駕駛、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展。
