清华大学研制出全球首颗支持片上学习忆阻器存算一体芯片,成果登上《科学》

PigSay 2023-10-10 阅读:927

10 月 10 日消息,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。

据清华大学介绍,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。它可以在断电之后,仍能“记忆”通过的电荷,被当做新型纳米电子突触器件。

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。

▲ 多个忆阻器阵列芯片协同工作示意图,图源清华大学官微,下同

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。

▲ 存算一体系统架构

清华大学表示,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。

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。

▲ 忆阻器存算一体学习芯片及测试系统

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。

▲ 基于忆阻器存算一体实现高效片上学习的通用算法和架构

“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。

该芯片包含支持完整片上学习所必需的全部电路模块,成功完成图像分类、语音识别和控制任务等多种片上增量学习功能验证,展示出高适应性、高能效、高通用性、高准确率等特点,有效强化智能设备在实际应用场景下的学习适应能力。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3%,展现出卓越的能效优势,极具满足人工智能时代高算力需求的应用潜力,为突破冯·诺依曼传统计算架构下的能效瓶颈提供了一种创新发展路径。

附相关论文链接:

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3483