天博再添“芯”动能 清华团队发布最新Science—新闻—科学网 来源：天博企业 发表时间: 2024-05-03

近期，清华年夜学集成电路学院吴华强传授、高滨副传授基在存算一体计较范式于撑持片上进修的忆阻器存算一体芯片范畴取患上庞大冲破，研究结果揭晓于《科学》（Science）上。

11年科研“长征”，从忆阻器件到原型芯片再到体系集成，钱鹤、吴华强团队协同攻关AI算力瓶颈难题，霸占“洽商”要害焦点技能，结果触及忆阻器集成芯片、存算一系统统、ADAM算法加快器......无望促成人工智能、主动驾驶可穿着装备等范畴的成长。

冲破从0到1 存算一体开启智算时代

影象电阻器（Memristor），是继电阻、电容、电感以后的第四种电路基本元件。它可以于断电以后，仍能“影象”经由过程的电荷，被当成新型纳米电子突触器件。

早于1946年，“计较机之父”冯 诺依曼提出并界说了计较机架构，接纳二进制的编码，由存储器以及处置惩罚器别离完成数据存储以及计较。

可是，跟着人工智能等运用对于数据存储以及计较需求的不停晋升，数据往返“搬运”处置惩罚，耗时长，功耗年夜，还可能存于“交通拥塞”的危害。

清华年夜学微纳加工平台

2012年，钱鹤、吴华强团队最先研究用忆阻器来做存储，但因为忆阻器的质料器件优化以及集成工艺不可熟，团队只能靠本身于试验室里探索，于一次又一次掉败的试验中摸索提高器件的一致性以及良率。

两年后，清华年夜学与中科院微电子所、北京年夜学等单元互助，优化忆阻器的器件工艺，制备出高机能忆阻器阵列，成为我国率先实现忆阻器阵列年夜范围集成的主要根蒂根基。

多个忆阻器阵列芯片协同事情示用意

2020年，钱鹤、吴华强团队基在多阵列忆阻器，搭建了一个全硬件组成的完备存算一系统统，于这个体系上高效运转了卷积神经收集算法，乐成验证了图象辨认功效，比图形处置惩罚器芯片的能效高两个数目级，年夜幅晋升了计较装备的算力，实现了以更小的功耗以及更低的硬件成本完成繁杂的计较。

存算一系统统架构

存算一体架构，就犹如“于家办公”的新型事情模式，完全消弭了来回通勤的能量耗损，防止了来回通勤带来的时间延迟，还年夜年夜节省了办公场合的运营成本，于边沿计较以及云计较中有广泛的运用远景。

超过从1到75 边沿进修加快运用摸索

十年磨一剑，钱鹤、吴华强领导团队立异设计出合用在忆阻器存算一体的高效片上进修的新型通用算法以及架构（STELLAR），研制出全世界首颗全体系集成的、撑持高效片上进修的忆阻器存算一体芯片。

忆阻器存算一体进修芯片及测试体系

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不异使命下，该芯片实现片上进修的能耗仅为进步前辈工艺下公用集成电路（ASIC）体系的1/35，同时无望实现75倍的能效晋升。

基在忆阻器存算一体

实现高效片上进修的通用算法以及架构

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哄骗神经开导的忆阻器芯片举行边沿进修

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小车主动追踪节制的增量进修演示

“存算一体片上进修于实现更低延迟以及更小能耗的同时，可以或许有用掩护用户隐衷以及数据。”玻士后姚鹏先容，该芯片参照仿生类脑处置惩罚体式格局，可实现差别使命的倏地“片上练习”与“片上辨认”，可以或许有用完成边沿计较场景下的增量进修使命，以极低的耗电顺应新场景、进修新常识，以满意用户的个性化需求。

好比，有些人习气于数字“7”的中间加一短横。一最先，智能芯片其实不熟悉这个符号，然而练习了两三个如许书写的“7”后，它就能正确将其辨认为数字“7”。

应战与机缘并存 “芯青年”展科研担任

于繁杂多变的国际形势下，冲破“洽商”技能仍是当下的重点。

面临进步前辈研发装备欠缺等实际问题，团队成员都有着些许的茫然，每一一步走的是否准确，成果可否到达预期，工艺还可否越发优化……这些都是压于每一个人身上的巨石。

起首，是技能应战。忆阻器芯片的研发触及到质料科学、物理学、电子项目等多学科的前沿常识。于诸多技能难题中，起首要解决的是怎样实现忆阻器件的年夜范围集成。经由过程年夜量试验以及理论研究，团队提出了架构-电路-工艺协同优化要领，为存算一系统统的设计提供了引导。

其次，是项目应战。有了年夜范围集成的工艺、要害的电路设计，怎样降服底层多标准非抱负致使的偏差，调集成一个高效的体系芯片？于团队教员以及学生的配合起劲下，研究提出STELLAR 架构，完成算法优化及仿真试验，制备出全体系集成的高效存算一体进修芯片，实现速率以及能效的年夜幅晋升。

团队合影

“路欠好走，却意思特殊，它是当前全世界高科技范畴较劲的主要疆场。”高滨以为，芯片研究是一件久久为功的工作，前方找不到的冲破口，却能于穷年累月的研究进修中得到。

张文彬、姚鹏作为学术论文的第一作者，玻士时期接触了年夜量如半导体、微电子、软件算法以及类脑计较等差别标的目的的科研常识，堆集了丰硕的研发结果以及富厚的项目设置装备摆设经验。

从无到有、从弱到强。于科研这条没有捷径的路上，“芯青年”们有数次制备不雅察后抛却，又于有数次归零后从头最先，超过一座又一座险峰。

放眼将来，吴华强但愿团队的方案、技能可以或许走出试验室，切切实实鞭策科研结果转化，致力办事国度所需、社会所需。

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