清华大学忆阻器存算一体芯片取得重大突破

136****9026

　　业内最新消息，近日清华大学集成电路学院教授吴华强、副教授高滨基于存算一体计算范式，在支持片上学习的忆阻器存算一体芯片领域取得重大突破！最新的研究成果发表在国际知名科学期刊《Science》中。

　　从忆阻器件到原型芯片再到系统集成，清华大学钱鹤、吴华强团队历经 11 年科研 “长征” 协同攻关 AI 算力瓶颈难题，攻克 “卡脖子”  关键核心技术，成果涉及忆阻器集成芯片存算一体系统、ADAM算法加速器等等。

　　该芯片上集成了记忆和计算的能力，在保护用户隐私的同时还具备类似人脑的自主学习能力，但能耗仅为先进工艺下专用集成电路系统的  1/35，是全球首款全系统集成、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片，有望促进人工智能、自动驾驶可穿戴设备等领域的发展。

　　记忆电阻器(Memristor)是继电阻、电容、电感之后的第四种电路基本元件，因其断电后仍能 “记忆”  通过电荷的特性被当做新型纳米电子突触器件。

　　早在1946年 “计算机之父”  冯·诺依曼提出并定义了计算机架构，采用二进制的编码，由存储器和处理器分别完成数据存储和计算。然而随着人工智能等应用对数据存储和计算需求的不断提升，数据来回  “搬运” 处理，耗时长，功耗大，还可能存在 “交通堵塞” 的风险。

　　2012年，钱鹤、吴华强团队开始研究用忆阻器来做存储，但由于忆阻器的材料器件优化和集成工艺不成熟，团队只能靠自己在实验室里摸索，在一次又一次失败的实验中探索提高器件的一致性和良率。

　　两年后，清华大学与中科院微电子所、北京大学等单位合作，优化忆阻器的器件工艺，制备出高性能忆阻器阵列，成为我国率先实现忆阻器阵列大规模集成的重要基础。

　　2020年，钱鹤、吴华强团队基于多阵列忆阻器，搭建了一个全硬件构成的完整存算一体系统，在这个系统上高效运行了卷积神经网络算法，成功验证了图像识别功能，比图形处理器芯片的能效高两个数量级，大幅提升了计算设备的算力，实现了以更小的功耗和更低的硬件成本完成复杂的计算。

　　存算一体架构就如同 “在家办公”  的新型工作模式，彻底消除了往返通勤的能量消耗，避免了往返通勤带来的时间延迟，还大大节约了办公场所的运营成本，在边缘计算和云计算中有广泛的应用前景。

　　十年磨一剑，钱鹤、吴华强带领团队创新设计出适用于忆阻器存算一体的高效片上学习的新型通用算法和架构(STELLAR)，研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片。

　　相同任务下，该芯片实现片上学习的能耗仅为先进工艺下专用集成电路(ASIC)系统的1/35，同时有望实现75倍的能效提升。

　　“存算一体片上学习在实现更低延迟和更小能耗的同时，能够有效保护用户隐私和数据。”博士后姚鹏介绍，该芯片参照仿生类脑处理方式，可实现不同任务的快速“片上训练”与“片上识别”，能够有效完成边缘计算场景下的增量学习任务，以极低的耗电适应新场景、学习新知识，以满足用户的个性化需求。

　　比如，有些人习惯在数字“7”的中间加一短横。一开始，智能芯片并不认识这个符号，然而训练了两三个这样书写的“7”后，它就能准确将其识别为数字“7”。

　　因为忆阻器芯片的研发涉及到材料科学、物理学、电子工程等多学科的前沿知识，因此在研究过程中存在诸多技术挑战，比如如何实现忆阻器件的大规模集成。通过大量实验和理论研究，团队提出了架构-电路-工艺协同优化方法，为存算一体系统的设计提供了指导。

　　此外还有工程挑战，有了大规模集成的工艺、关键的电路设计后，如何克服底层多尺度非理想导致的误差，集合成一个高效的系统芯片?最终在团队老师和学生的共同努力下研究提出了  STELLAR 架构，完成算法优化及仿真实验，制备出全系统集成的高效存算一体学习芯片，实现速度和能效的大幅提升。