想象一下，一顆芯片上集成了記憶和計算的能力，保護(hù)用戶隱私同時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……

微信公眾號“清華大學(xué)”10月9日消息，近期，清華大學(xué)集成電路學(xué)院吳華強(qiáng)教授、高濱副教授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)域取得重大突破，研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

11年科研“長征”，從憶阻器件到原型芯片再到系統(tǒng)集成，錢鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)同攻關(guān)AI算力瓶頸難題，攻克“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)，成果涉及憶阻器集成芯片、存算一體系統(tǒng)、ADAM算法加速器......

有望促進(jìn)人工智能、自動駕駛、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展。

突破從0到1 存算一體開啟智算時代

記憶電阻器（Memristor），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。

早在1946年，“計算機(jī)之父”馮·諾依曼提出并定義了計算機(jī)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(yùn)”處理，耗時長，功耗大，還可能存在“交通堵塞”的風(fēng)險。

清華大學(xué)微納加工平臺

2012年，錢鶴、吳華強(qiáng)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(shí)驗室里摸索，在一次又一次失敗的實(shí)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(shí)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，錢鶴、吳華強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(qiáng)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)（STELLAR），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。

憶阻器存算一體學(xué)習(xí)芯片及測試系統(tǒng)

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)工藝下專用集成電路（ASIC）系統(tǒng)的1/35，同時有望實(shí)現(xiàn)75倍的能效提升。

基于憶阻器存算一體，實(shí)現(xiàn)高效片上學(xué)習(xí)的通用算法和架構(gòu)

利用神經(jīng)啟發(fā)的憶阻器芯片進(jìn)行邊緣學(xué)習(xí)

小車自動追蹤控制的增量學(xué)習(xí)演示

“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，能夠有效保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù)?！辈┦亢笠i介紹，該芯片參照仿生類腦處理方式，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(jī)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(diǎn)。

面對先進(jìn)研發(fā)設(shè)備短缺等現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)憶阻器件的大規(guī)模集成。通過大量實(shí)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STELLAR 架構(gòu)，完成算法優(yōu)化及仿真實(shí)驗，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。

團(tuán)隊合影

“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。

從無到有、從弱到強(qiáng)。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(qiáng)希望團(tuán)隊的方案、技術(shù)能夠走出實(shí)驗室，切切實(shí)實(shí)推動科研成果轉(zhuǎn)化，致力服務(wù)國家所需、社會所需。