想象一下，一枚芯片上集成了記憶和計(jì)算的能力，在保護(hù)用戶隱私同時(shí)，還具備了類似人腦的自主學(xué)習(xí)，能耗僅為先進(jìn)工藝下專用集成電路系統(tǒng)的1/35，聽起來是不是很神奇？

據(jù)清華大學(xué)公眾號(hào)10月9日消息，近期，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強(qiáng)、副教授高濱基于存算一體計(jì)算范式，研制出全球首顆全系統(tǒng)集成的、支持高效片上學(xué)習(xí)（機(jī)器學(xué)習(xí)能在硬件端直接完成）的憶阻器存算一體芯片，在支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片領(lǐng)域取得重大突破，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。該研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)》上。

憶阻器存算一體學(xué)習(xí)芯片及測試系統(tǒng) （圖片來源：清華大學(xué)）

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。它可以在斷電之后，仍能“記憶”電阻狀態(tài)，被當(dāng)做新型納米電子突觸器件。

面向傳統(tǒng)存算分離架構(gòu)制約算力提升的重大挑戰(zhàn)，吳華強(qiáng)、高濱聚焦憶阻器存算一體技術(shù)研究，探索實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)新范式。憶阻器存算一體技術(shù)在底層器件、電路架構(gòu)和計(jì)算范式上全面顛覆了馮·諾依曼傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)算力和能效的跨越式提升，同時(shí)，該技術(shù)還可利用底層器件的學(xué)習(xí)特性，支持實(shí)時(shí)片上學(xué)習(xí)，賦能基于本地學(xué)習(xí)的邊緣訓(xùn)練新場景。

課題組基于存算一體計(jì)算范式，創(chuàng)造性提出適配憶阻器存算一體實(shí)現(xiàn)高效片上學(xué)習(xí)的新型通用算法和架構(gòu)，通過算法、架構(gòu)、集成方式的全流程協(xié)同創(chuàng)新，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。

憶阻器芯片的研發(fā)面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)和工程挑戰(zhàn)。

據(jù)了解，憶阻器芯片的研發(fā)涉及到材料科學(xué)、物理學(xué)、電子工程等多學(xué)科的前沿知識(shí)。在諸多技術(shù)難題中，首先要解決的是如何實(shí)現(xiàn)憶阻器件的大規(guī)模集成。通過大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，團(tuán)隊(duì)提出了架構(gòu)-電路-工藝協(xié)同優(yōu)化方法，為存算一體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

有了大規(guī)模集成的工藝、關(guān)鍵的電路設(shè)計(jì)，如何克服底層多尺度非理想導(dǎo)致的誤差，集合成一個(gè)高效的系統(tǒng)芯片？在團(tuán)隊(duì)老師和學(xué)生的共同努力下，研究提出STELLAR 架構(gòu)，完成算法優(yōu)化及仿真實(shí)驗(yàn)，制備出全系統(tǒng)集成的高效存算一體學(xué)習(xí)芯片，實(shí)現(xiàn)速度和能效的大幅提升。

放眼未來，吳華強(qiáng)希望團(tuán)隊(duì)的方案、技術(shù)能夠走出實(shí)驗(yàn)室，切切實(shí)實(shí)推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化，致力服務(wù)國家所需、社會(huì)所需。

審核編輯 黃宇