有了憶阻器 “超級人工大腦”不再是夢

重點專項巡禮

“如果把用憶阻器技術(shù)開發(fā)出的人工智能芯片應(yīng)用在手機里面，芯片功耗會大大降低，手機充一次電就可以用兩天?！?0月27日，在接受科技日報記者專訪時，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所教授錢鶴這樣通俗地解釋憶阻器將給普通民眾生活帶來的變化。

“憶阻器是一種新的電子元件，其特性與人類大腦中的信息處理基本單元神經(jīng)突觸很相似?！卞X鶴解釋說，神經(jīng)突觸最獨特的功能就是既可以存儲，也可以計算。存算一體化的計算機架構(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)今國際上相關(guān)學(xué)者的研發(fā)重點。

作為國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項的課題之一，錢鶴領(lǐng)銜的“新型納米存儲器三維集成的基礎(chǔ)研究”旨在為我國存儲器產(chǎn)業(yè)提供自主知識產(chǎn)權(quán)和原型技術(shù)，支撐和引領(lǐng)我國存儲器產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

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

神經(jīng)形態(tài)計算與傳統(tǒng)計算方法最本質(zhì)的區(qū)別在于其將負責(zé)數(shù)據(jù)存儲和處理的單元融合在了一起，從而省去了傳統(tǒng)計算方法中由于數(shù)據(jù)在存儲器與中央處理器之間頻繁移動而造成的大量能源開銷，繞過了“存儲墻”這一制約傳統(tǒng)計算方法發(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存儲數(shù)據(jù)；在外加電壓下還會輸出相應(yīng)的電流來完成乘法計算的功能，將多個憶阻器的輸出電流匯集到一起還可以實現(xiàn)加法計算的功能。通過乘法與加法的組合，憶阻器可以在極短時間內(nèi)完成絕大多數(shù)的計算任務(wù)。”錢鶴說，尤其是憶阻器的阻值能夠在一定的外加電壓條件下進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)計算芯片不僅僅能夠高效地完成計算功能，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)計算領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了無可比擬的優(yōu)勢。

“可以預(yù)見，一旦基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)計算芯片技術(shù)成熟，制作類似甚至超越人腦智能和能效的‘超級人工大腦’將變成現(xiàn)實。”錢鶴說。

據(jù)介紹，課題組通過探尋憶阻器的工作機理、篩選材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、精心設(shè)計芯片電路與測試系統(tǒng)等步驟，最終完成了世界上首個集成上千個雙向連續(xù)阻變憶阻器單元、能夠像人腦一樣對輸入有實時響應(yīng)并能在線學(xué)習(xí)的人臉識別系統(tǒng)，且該系統(tǒng)每次迭代的能耗不足英特爾至強融核協(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。

“我們集成了一個具有1024個憶阻器單元的計算芯片，完美地實現(xiàn)了人臉圖像的情感識別功能，并在更難的具有20%噪聲點的測試圖片上得到了大于90%的識別準確率。”錢鶴說。

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

（科技日報記者付麗麗）