您的当前位置: 首页 >> 科普园地 >> 前沿科技

全球首颗忆阻器芯片,清华团队突破了什么?

来源:科普中国  作者:曾心月   发布时间:2023-12-06  浏览:985

人工智能技术的发展浪潮极大地改变了人类的生产生活方式,对当前人类文明的各个领域产生了深刻的影响,并且还将持续深入地影响下去。

但人工智能技术依靠大算力的支撑,随着技术的爆炸式发展,它对大算力的需求也节节高升。然而,现有的算力短缺与庞大的算力需求之间形成了越来越突出的矛盾。芯片作为算力的物质载体,面临着急需攻克的挑战。**如何加快研制高算力、高能效的芯片,解决庞大的算力缺口,实现算力的大幅提升,**是当前的硬件技术需要解决的迫切问题,也是卡住人工智能技术发展速度“脖子”的核心问题。

日前,清华大学集成电路学院教授吴华强、副教授高滨团队基于存算一体计算范式,研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上学习(机器学习能在硬件端直接完成)的**忆阻器存算一体芯片,**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,**有望促进人工智能、自动驾驶、可穿戴设备等领域发展。**相关成果以“面向边缘学习的全集成类脑忆阻器芯片”(Edge Learning Using a Fully Integrated Neuro-Inspired Memristor Chip)为题在线发表在最新一期的《科学》上。


图源:unsplash

什么是忆阻器芯片呢?据介绍,忆阻器(Memristor)是继电阻、电容、电感之后的第四种电路基本元件。

在忆阻器芯片发明之前的传统芯片都是基于冯·诺依曼模型的,它将存储器和处理器分开,并通过数据总线进行连接,需要在处理器和内存之间来回移动数据。这种存算分离带来的高能耗和高延迟、低隐私和低安全性、低适应性和低鲁棒性,成为制约算力提升的一大挑战。

为了解决这些问题和挑战,一种新的计算范式被提出,即存算一体计算范式。存算一体计算范式是指**将存储器和处理器集成在一个芯片上,并利用存储器本身的物理特性来进行计算。**这样就解决了传统计算架构范式的不足。

图源:unsplash

存算一体计算范式的关键是存储器本身就具有计算功能,为了实现这一点,一种新型的存储器件被发明,这就是忆阻器。**忆阻器是一种像人脑神经元一样具有记忆功能的电阻器,在断电之后,它仍能“记忆”起之前通过的电荷。**它是电子学领域的一项重大突破,在数据存储、计算、加密和通信方面都表现出了巨大的潜力。

自 2012 年以来,清华大学钱鹤、吴华强、高滨团队从研发忆阻器件、原型芯片起步,一步步发展到系统集成、计算理论,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,所有与学习相关的计算均在该芯片上完成。

硬件实测结果显示,该芯片包含支持完整片上学习所必需的全部电路模块,在涉及图像分类、语音识别、控制任务的多个片上学习任务中,该芯片的**能耗仅为先进工艺下专用集成电路(ASIC)系统的3%,同时有望实现75倍的能效提升,还能够有效保护用户隐私和数据。**展示出高适应性、高能效、高通用性、高准确率等特点,极具满足人工智能时代高算力需求的应用潜力。

参考文献

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

策划制作

本文为科普中国-星空计划作品

出品|中国科协科普部

监制|中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨曾心月 科普创作者

审核丨黄永光 中国科学院半导体研究所 光电子芯片 副研究员

责编丨钟艳平 祁媛(实习生)