有了憶阻器 “超級(jí)人工大腦”不再是夢(mèng)

重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)巡禮

“如果把用憶阻器技術(shù)開(kāi)發(fā)出的人工智能芯片應(yīng)用在手機(jī)里面，芯片功耗會(huì)大大降低，手機(jī)充一次電就可以用兩天?！?0月27日，在接受科技日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪時(shí)，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所教授錢(qián)鶴這樣通俗地解釋?xiě)涀杵鲗⒔o普通民眾生活帶來(lái)的變化。

“憶阻器是一種新的電子元件，其特性與人類(lèi)大腦中的信息處理基本單元神經(jīng)突觸很相似?！卞X(qián)鶴解釋說(shuō)，神經(jīng)突觸最獨(dú)特的功能就是既可以存儲(chǔ)，也可以計(jì)算。存算一體化的計(jì)算機(jī)架構(gòu)可謂顛覆性技術(shù)，而最新的研究發(fā)現(xiàn)，憶阻器特別適于做存算一體化，這也是當(dāng)今國(guó)際上相關(guān)學(xué)者的研發(fā)重點(diǎn)。

作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)的課題之一，錢(qián)鶴領(lǐng)銜的“新型納米存儲(chǔ)器三維集成的基礎(chǔ)研究”旨在為我國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)提供自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和原型技術(shù)，支撐和引領(lǐng)我國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

錢(qián)鶴表示，除了存儲(chǔ)，憶阻器在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片領(lǐng)域顯示出更加重要的潛力。而神經(jīng)形態(tài)計(jì)算就是通過(guò)模仿人腦的構(gòu)造來(lái)大幅提高計(jì)算能力與能效的新型計(jì)算方法。

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算方法最本質(zhì)的區(qū)別在于其將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的單元融合在了一起，從而省去了傳統(tǒng)計(jì)算方法中由于數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器與中央處理器之間頻繁移動(dòng)而造成的大量能源開(kāi)銷(xiāo)，繞過(guò)了“存儲(chǔ)墻”這一制約傳統(tǒng)計(jì)算方法發(fā)展的瓶頸，大幅提升了數(shù)據(jù)傳輸和處理的并行度。

“憶阻器本身的阻值可以用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；在外加電壓下還會(huì)輸出相應(yīng)的電流來(lái)完成乘法計(jì)算的功能，將多個(gè)憶阻器的輸出電流匯集到一起還可以實(shí)現(xiàn)加法計(jì)算的功能。通過(guò)乘法與加法的組合，憶阻器可以在極短時(shí)間內(nèi)完成絕大多數(shù)的計(jì)算任務(wù)?！卞X(qián)鶴說(shuō)，尤其是憶阻器的阻值能夠在一定的外加電壓條件下進(jìn)行快速且可逆的控制與調(diào)整，這就使得由憶阻器集成的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片不僅僅能夠高效地完成計(jì)算功能，而且還是可重復(fù)編程的。這些特性為憶阻器在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

“可以預(yù)見(jiàn)，一旦基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片技術(shù)成熟，制作類(lèi)似甚至超越人腦智能和能效的‘超級(jí)人工大腦’將變成現(xiàn)實(shí)?！卞X(qián)鶴說(shuō)。

據(jù)介紹，課題組通過(guò)探尋憶阻器的工作機(jī)理、篩選材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、精心設(shè)計(jì)芯片電路與測(cè)試系統(tǒng)等步驟，最終完成了世界上首個(gè)集成上千個(gè)雙向連續(xù)阻變憶阻器單元、能夠像人腦一樣對(duì)輸入有實(shí)時(shí)響應(yīng)并能在線學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別系統(tǒng)，且該系統(tǒng)每次迭代的能耗不足英特爾至強(qiáng)融核協(xié)處理器的千分之一。相關(guān)成果已發(fā)表在今年5月的《自然·通訊》期刊上。

“我們集成了一個(gè)具有1024個(gè)憶阻器單元的計(jì)算芯片，完美地實(shí)現(xiàn)了人臉圖像的情感識(shí)別功能，并在更難的具有20%噪聲點(diǎn)的測(cè)試圖片上得到了大于90%的識(shí)別準(zhǔn)確率。”錢(qián)鶴說(shuō)。

“下一步要繼續(xù)對(duì)憶阻器的工作機(jī)理深入研究，改進(jìn)其器件特性。產(chǎn)業(yè)化也是我們考慮的重點(diǎn)，目前已經(jīng)在跟國(guó)內(nèi)知名企業(yè)商議，將其應(yīng)用于平安城市的建設(shè)中，畢竟憶阻器具有強(qiáng)大的視頻和圖像識(shí)別處理功能?！闭n題組成員，清華大學(xué)微電子所副所長(zhǎng)吳華強(qiáng)說(shuō)。

（科技日?qǐng)?bào)記者付麗麗）