清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強,、副教授高濱基于存算一體計算范式,，在支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片領(lǐng)域取得重要突破，研究成果以“面向邊緣學(xué)習(xí)的全集成類腦憶阻器芯片”為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上,。該成果近期入選“2023年清華大學(xué)最受師生關(guān)注的年度亮點成果”,，其架構(gòu)原理的創(chuàng)新對高性能芯片的發(fā)展具有重要意義,。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士生張文彬、博士后姚鵬為論文共同第一作者,，高濱,、吳華強為論文通訊作者。
突破從0到1 存算一體開啟智算時代
早在1946年,，“計算機之父”馮·諾依曼提出并定義了計算機架構(gòu),，采用二進(jìn)制的編碼，由存儲器和處理器分別完成數(shù)據(jù)存儲和計算,。但是,，隨著人工智能等應(yīng)用對數(shù)據(jù)存儲和計算需求的不斷提升，數(shù)據(jù)來回“搬運”處理,，耗時長,，功耗大，還可能存在“交通堵塞”的風(fēng)險,。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”通過的電荷,，被當(dāng)做新型納米電子突觸器件,。
2012年，集成電路學(xué)院教授錢鶴,、吳華強團(tuán)隊開始研究用憶阻器來做存儲,，但由于憶阻器的材料器件優(yōu)化和集成工藝不成熟，團(tuán)隊只能靠自己在實驗室里摸索,，在一次又一次失敗的實驗中探索提高器件的一致性和良率,。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，成為我國率先實現(xiàn)憶阻器陣列大規(guī)模集成的重要基礎(chǔ),。
多個憶阻器陣列芯片協(xié)同工作示意圖
2020年,，團(tuán)隊基于多陣列憶阻器，搭建了一個全硬件構(gòu)成的完整存算一體系統(tǒng),，在這個系統(tǒng)上高效運行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,，成功驗證了圖像識別功能,，比圖形處理器芯片的能效高兩個數(shù)量級,，大幅提升了計算設(shè)備的算力，實現(xiàn)了以更小的功耗和更低的硬件成本完成復(fù)雜的計算,。
存算一體系統(tǒng)架構(gòu)
存算一體架構(gòu),，就如同“在家辦公”的新型工作模式，徹底消除了往返通勤的能量消耗,，避免了往返通勤帶來的時間延遲,，還大大節(jié)約了辦公場所的運營成本，在邊緣計算和云計算中有廣泛的應(yīng)用前景,。
跨越從1到75 邊緣學(xué)習(xí)加速應(yīng)用探索
十年磨一劍,，錢鶴、吳華強帶領(lǐng)團(tuán)隊創(chuàng)新設(shè)計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,，該芯片實現(xiàn)片上學(xué)習(xí)的能耗僅為先進(jìn)工藝下專用集成電路系統(tǒng)的 1/35,，同時有望實現(xiàn)75倍的能效提升。
憶阻器存算一體學(xué)習(xí)芯片及測試系統(tǒng)
“存算一體片上學(xué)習(xí)在實現(xiàn)更低延遲和更小能耗的同時,，能夠有效保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù),。”姚鵬介紹,，該芯片參照仿生類腦處理方式,，可實現(xiàn)不同任務(wù)的快速“片上訓(xùn)練”與“片上識別”，能夠有效完成邊緣計算場景下的增量學(xué)習(xí)任務(wù),，以極低的耗電適應(yīng)新場景,、學(xué)習(xí)新知識，以滿足用戶的個性化需求,。比如,，有些人習(xí)慣在數(shù)字“7”的中間加一短橫。一開始,，智能芯片并不認(rèn)識這個符號,，然而訓(xùn)練了兩三個這樣書寫的“7”后，它就能準(zhǔn)確將其識別為數(shù)字“7”。
挑戰(zhàn)與機遇并存 “芯青年”展科研擔(dān)當(dāng)
在復(fù)雜多變的國際形勢下,，突破“卡脖子”技術(shù)仍是當(dāng)下的重點,。面對先進(jìn)研發(fā)設(shè)備短缺等現(xiàn)實問題，團(tuán)隊成員都有著些許的茫然,，每一步走的是否正確,，結(jié)果能否達(dá)到預(yù)期，工藝還能否更加優(yōu)化……這些都是壓在每個人身上的巨石,。
首先,，是技術(shù)挑戰(zhàn)。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。在諸多技術(shù)難題中,，首先要解決的是如何實現(xiàn)憶阻器件的大規(guī)模集成,。通過大量實驗和理論研究，團(tuán)隊提出了架構(gòu)-電路-工藝協(xié)同優(yōu)化方法,，為存算一體系統(tǒng)的設(shè)計提供了指導(dǎo),。
其次，是工程挑戰(zhàn),。有了大規(guī)模集成的工藝,、關(guān)鍵的電路設(shè)計，如何克服底層多尺度非理想導(dǎo)致的誤差,，集合成一個高效的系統(tǒng)芯片,？在團(tuán)隊老師和學(xué)生的共同努力下，研究提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),，完成算法優(yōu)化及仿真實驗,，制備出全系統(tǒng)集成的高效存算一體學(xué)習(xí)芯片，實現(xiàn)速度和能效的大幅提升,。
利用神經(jīng)啟發(fā)的憶阻器芯片進(jìn)行邊緣學(xué)習(xí)
“路不好走,，卻意義非凡，它是當(dāng)前全球高科技領(lǐng)域較量的重要戰(zhàn)場,?！备邽I認(rèn)為，芯片研究是一件久久為功的事情,，前方找不到的突破口,，卻能在日積月累的研究學(xué)習(xí)中獲得。張文彬,、姚鵬作為學(xué)術(shù)論文的第一作者,，博士期間接觸了大量如半導(dǎo)體,、微電子、軟件算法和類腦計算等不同方向的科研知識,，積累了豐碩的研發(fā)成果和豐富的工程建設(shè)經(jīng)驗,。
團(tuán)隊合影，第一排從左到右依次為：高濱,、吳華強,、錢鶴、唐建石,、潘立陽,；第二排從左到右依次為：張清天、何虎,、姚鵬,、郝鎮(zhèn)齊,、張志剛,、伍冬。
從無到有,、從弱到強,。在科研這條沒有捷徑的路上，“芯青年”們無數(shù)次制備觀察后放棄,，又在無數(shù)次歸零后重新開始,，跨越一座又一座險峰。放眼未來,，吳華強希望團(tuán)隊的方案,、技術(shù)能夠走出實驗室，切切實實推動科研成果轉(zhuǎn)化,，致力服務(wù)國家所需,、社會所需。
