清华团队在忆阻器存算一体芯片领域取得重大突破

一颗芯片上集成了记忆和计算的能力，保护用户隐私同时，还具备了类似人脑的自主学习，能耗仅为先进工艺下专用集成电路系统的1/35。近期，清华大学集成电路学院吴华强教授、高滨副教授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，研究成果发表在《科学》（Science）上。历经11年科研，该团队协同攻关AI算力瓶颈难题，攻克“卡脖子”关键核心技术，有望促进人工智能、自动驾驶、可穿戴设备等领域的发展。

记忆电阻器是继电阻、电容、电感之后的第四种电路基本元件，可以在断电之后仍能“记忆”通过的电荷，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。但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。

十年磨一剑。近期，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。

文/北京青年报记者 雷嘉

编辑/李晓萌