全球首顆憶阻器芯片，清華團(tuán)隊(duì)突破了什么?

人工智能技術(shù)的發(fā)展浪潮極大地改變了人類的生產(chǎn)生活方式，對(duì)當(dāng)前人類文明的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響，并且還將持續(xù)深入地影響下去。

但人工智能技術(shù)依靠大算力的支撐，隨著技術(shù)的爆炸式發(fā)展，它對(duì)大算力的需求也節(jié)節(jié)高升。然而，現(xiàn)有的算力短缺與龐大的算力需求之間形成了越來(lái)越突出的矛盾。芯片作為算力的物質(zhì)載體，面臨著急需攻克的挑戰(zhàn)。如何加快研制高算力、高能效的芯片，解決龐大的算力缺口，實(shí)現(xiàn)算力的大幅提升，是當(dāng)前的硬件技術(shù)需要解決的迫切問(wèn)題，也是卡住人工智能技術(shù)發(fā)展速度“脖子”的核心問(wèn)題。

日前，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)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)域發(fā)展。相關(guān)成果以“面向邊緣學(xué)習(xí)的全集成類腦憶阻器芯片”（EdgeLearningUsingaFullyIntegratedNeuro-InspiredMemristorChip）為題在線發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》上。

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什么是憶阻器芯片呢？據(jù)介紹，憶阻器（Memristor）是繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件。

在憶阻器芯片發(fā)明之前的傳統(tǒng)芯片都是基于馮·諾依曼模型的，它將存儲(chǔ)器和處理器分開，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，需要在處理器和內(nèi)存之間來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)。這種存算分離帶來(lái)的高能耗和高延遲、低隱私和低安全性、低適應(yīng)性和低魯棒性，成為制約算力提升的一大挑戰(zhàn)。

為了解決這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，一種新的計(jì)算范式被提出，即存算一體計(jì)算范式。存算一體計(jì)算范式是指將存儲(chǔ)器和處理器集成在一個(gè)芯片上，并利用存儲(chǔ)器本身的物理特性來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這樣就解決了傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)范式的不足。

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存算一體計(jì)算范式的關(guān)鍵是存儲(chǔ)器本身就具有計(jì)算功能，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一種新型的存儲(chǔ)器件被發(fā)明，這就是憶阻器。憶阻器是一種像人腦神經(jīng)元一樣具有記憶功能的電阻器，在斷電之后，它仍能“記憶”起之前通過(guò)的電荷。它是電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、加密和通信方面都表現(xiàn)出了巨大的潛力。

自2012年以來(lái)，清華大學(xué)錢鶴、吳華強(qiáng)、高濱團(tuán)隊(duì)從研發(fā)憶阻器件、原型芯片起步，一步步發(fā)展到系統(tǒng)集成、計(jì)算理論，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，所有與學(xué)習(xí)相關(guān)的計(jì)算均在該芯片上完成。

硬件實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該芯片包含支持完整片上學(xué)習(xí)所必需的全部電路模塊，在涉及圖像分類、語(yǔ)音識(shí)別、控制任務(wù)的多個(gè)片上學(xué)習(xí)任務(wù)中，該芯片的能耗僅為先進(jìn)工藝下專用集成電路（ASIC）系統(tǒng)的3%，同時(shí)有望實(shí)現(xiàn)75倍的能效提升，還能夠有效保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù)。展示出高適應(yīng)性、高能效、高通用性、高準(zhǔn)確率等特點(diǎn)，極具滿足人工智能時(shí)代高算力需求的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3483

本文為科普中國(guó)-星空計(jì)劃作品

出品｜中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨曾心月 科普創(chuàng)作者

審核丨黃永光 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子芯片副研究員