當(dāng)下，飛速進(jìn)步的技術(shù)給芯片的算力要求帶來巨大挑戰(zhàn)，“算力焦慮”也成為懸在業(yè)界頭上的一把劍。而隨著摩爾定律逐漸失效，通過增加更多晶體管來提升算力的方法，也很難適應(yīng)新形勢(shì)。 要想破局就得有“全新的計(jì)算器件、計(jì)算范式、和計(jì)算架構(gòu)”。近期，清華大學(xué)吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在《自然》刊文報(bào)告了其團(tuán)隊(duì)基于多憶阻器（Memristor）陣列的存算一體硬件實(shí)現(xiàn)。

不同于利用 CPU、GPU 進(jìn)行 AI 計(jì)算的傳統(tǒng)方式，他們的憶阻器芯片能在不降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確度的前提下，大幅提升算力、同時(shí)還可顯著降低功耗，“算力焦慮”的一劑良藥由此誕生。 而這項(xiàng)成果要從似乎沒有 “技術(shù)感” 的在家辦公說起，疫情以來在家辦公開始流行起來。這種工作方式既能省去通勤時(shí)間，還能降低體力消耗。而這一現(xiàn)象啟發(fā)了吳華強(qiáng)的研究。 他說，假如居家時(shí)間是存儲(chǔ)，上班時(shí)間就是計(jì)算。只要去公司辦公，路上肯定會(huì)消耗時(shí)間和能量，遇到交通擁堵，路上耗時(shí)會(huì)更久。 而當(dāng)居家和辦公融為一體，即在家辦公時(shí)，時(shí)間和體力都會(huì)被節(jié)約。這和計(jì)算機(jī)中的“存儲(chǔ)-計(jì)算”非常相似。如果存儲(chǔ)和計(jì)算能合二為一，就可用小功耗實(shí)現(xiàn)大算力。

圖 | 吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 8 個(gè)包含 2048 個(gè)憶阻器的陣列芯片，可大幅提升進(jìn)行人工智能計(jì)算的算力并顯著降低功耗（圖片來源：Nature）

有著“特異功能”的芯片

憶阻器，是一種與傳統(tǒng)晶體管芯片截然不同的全新芯片概念。早在 30 年前，加州大學(xué)伯克利分校教授蔡少棠預(yù)測(cè)，除了電阻、電容、電感之外，理論上還應(yīng)存在第四種基本電路元件，該元件可直接將電荷量與磁通量?jī)蓚€(gè)物理量連接起來，這便是憶阻器概念的雛形。 作為一種被動(dòng)電子元件，憶阻器除了能讓一定的電流安全通過，還可在斷電后“記住”器件之前的電阻值，因此它最初只被當(dāng)成存儲(chǔ)器來研究。 吳華強(qiáng)回憶稱：“當(dāng)時(shí)，存儲(chǔ)器行業(yè)的發(fā)展遇到了一些瓶頸，急需新興技術(shù)打破僵局。阻變存儲(chǔ)器或者說憶阻器就是其中很重要的一項(xiàng)新興技術(shù)。” 而憶阻器也有很多存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)：比如尺寸小、速度快、低功耗、與 CMOS（互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體）工藝可兼容等。

此外，憶阻器還擁有另一項(xiàng)特殊功能：能在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“原地”實(shí)現(xiàn)計(jì)算。通常來說，基于傳統(tǒng)“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”搭建的計(jì)算機(jī)，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算是分開的，平時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儲(chǔ)存器中，需要運(yùn)算時(shí)再把它搬運(yùn)到運(yùn)算器里。 然而，AI 類應(yīng)用需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，其核心是乘法和加法。對(duì)此，吳華強(qiáng)評(píng)價(jià)稱：“目前 CMOS 芯片做大規(guī)模矩陣運(yùn)算的乘加，算力是比較吃緊的，面臨著很大挑戰(zhàn)?！?此前，華為創(chuàng)始人任正非曾表示，未來的邊緣計(jì)算是存算一體的，要么把 CPU 做到存儲(chǔ)器，要么把存儲(chǔ)器做到 CPU 里，這樣才能加快計(jì)算速度。而在吳華強(qiáng)看來，基于憶阻器的存算一體，正是上述概念的一種實(shí)現(xiàn)。 具體來說，如果用交叉陣列的方式做憶阻器，就可獲得一種與矩陣很類似的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既可以存數(shù)據(jù)，也可以做計(jì)算。

需要存儲(chǔ)時(shí)，憶阻器本身就是存儲(chǔ)器；而需要運(yùn)算時(shí)，也無需把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中搬到運(yùn)算器里，因?yàn)閼涀杵骺芍苯佑脷W姆定律來做乘法運(yùn)算。 前面提到，緩解“算力焦慮”需要全新的計(jì)算器件、范式和架構(gòu)。而憶阻器正是這種新趨勢(shì)的器件代表。 而在憶阻器件上用物理定律來直接做乘法計(jì)算和加法計(jì)算的方式，也和過去利用與非門做布爾邏輯計(jì)算的方法很不一樣。 因此，憶阻器可以解決信息科學(xué)、尤其是集成電路領(lǐng)域里面的一些核心的問題。這也成為吳華強(qiáng)一直堅(jiān)持深耕該領(lǐng)域的原因。在 AMD 時(shí)，他就投身于憶阻器方面的研究工作，這項(xiàng)工作得以在清華延續(xù)，并最終打造出一支優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。

實(shí)驗(yàn)資源不足，沒有條件就創(chuàng)造條件

回望這一路，他都在和電子器件打交道。2000 年，吳華強(qiáng)本科畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，2005 年博士畢業(yè)于美國(guó)康奈爾大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院。 隨后，他分別在美國(guó) AMD 公司和飛索半導(dǎo)體公司非易失性存儲(chǔ)器研發(fā)中心擔(dān)任高級(jí)研究員。 這段業(yè)界經(jīng)歷也讓他逐漸意識(shí)到，相比在企業(yè)做市場(chǎng)化產(chǎn)品，他更想從事創(chuàng)新性的的研究工作，因此萌生了回國(guó)做科研的想法。2009 年，剛過而立之年的吳華強(qiáng)，回到清華任教。 回顧過往，吳華強(qiáng)總結(jié)稱：“回到祖國(guó)，作為一個(gè)科研工作者，和大家一起拼搏，特別開心。我們國(guó)家現(xiàn)在發(fā)展的勢(shì)頭非常好，國(guó)家高度重視科技創(chuàng)新，對(duì)于人才的重視，我想是遠(yuǎn)超過其他國(guó)家的。 然而，回國(guó)第一年，系里做實(shí)驗(yàn)的設(shè)備不足，吳華強(qiáng)始終處于找不到資源做實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)。

為此，在回清華的頭一年半，在正常教學(xué)之外，他把八九成時(shí)間都花在平臺(tái)搭建上，在系里面的支持下，對(duì)原來系里相對(duì)陳舊、落后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了全面的改造和升級(jí)。建成后，這也是清華 7x24 小時(shí)開放的校級(jí)共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成為國(guó)家發(fā)改委的雙創(chuàng)平臺(tái)和國(guó)家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)。 如今，該平臺(tái)包含設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試三大塊，累計(jì)擁有 200 多套設(shè)備，能夠支撐芯片研究。

此前，由于設(shè)備不全并且經(jīng)常出故障，學(xué)生們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)有時(shí)得花費(fèi)數(shù)月。而現(xiàn)在，即使校內(nèi) 20 多個(gè)院系和校外團(tuán)隊(duì)共同使用該平臺(tái)，一般也能在一周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。 對(duì)于獲得的成果，吳華強(qiáng)說：“我經(jīng)?！准雍?、五加二’連軸轉(zhuǎn)卻從來不覺得累，偶爾會(huì)被質(zhì)疑但卻從未想過放棄，就是因?yàn)楝F(xiàn)在的學(xué)術(shù)和工作是我真正感興趣，這是我愿意無限投入進(jìn)去的事情，這會(huì)讓我從中感受到快樂?！?/p>

憶阻器產(chǎn)品已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化

而讓他沒有想到的是，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)之后，他再次和產(chǎn)業(yè)打上交道。 2018 年 6 月份，吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)孵化出由清華控股的創(chuàng)業(yè)公司——北京新憶科技，專注于將憶阻器進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。 經(jīng)過兩年的努力，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 40nm 的工藝，并開發(fā)出了相關(guān)存儲(chǔ)芯片，也已獲得物聯(lián)網(wǎng)和汽車等領(lǐng)域的訂單。 目前，他們正在設(shè)計(jì)一個(gè)更大規(guī)模、功能更多樣化的憶阻器陣列芯片，這款新型芯片的設(shè)計(jì)已經(jīng)接近完成，接下來將進(jìn)行流片和相關(guān)測(cè)試。一旦問世，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更貼近需求、也更加復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用。 在 2019 年的某次會(huì)議上，吳華強(qiáng)曾和英特爾 Loihi 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片的負(fù)責(zé)人 “打賭”，看將來到底誰的芯片應(yīng)用得更好。

談及發(fā)展前景，吳華強(qiáng)認(rèn)為，過去的計(jì)算范式已經(jīng)使用幾十年了。在面臨嚴(yán)重算力挑戰(zhàn)的今天，憶阻器很有可能提供出一種全新的計(jì)算范式。 他說：“如果說沒有摩爾定律變緩、人工智能算力需求增加這些挑戰(zhàn)，可能新的計(jì)算范式也不可能進(jìn)來，我覺得現(xiàn)在是一個(gè)好的機(jī)會(huì)?！?未來的手機(jī)、超高清電視、無人系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心，都將有望用上這種芯片，它能加速處理 AI 應(yīng)用，給用戶帶來更好的體驗(yàn)。

而在更前沿的應(yīng)用方向上，吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的憶阻器也在發(fā)力。在腦機(jī)接口領(lǐng)域，他們?cè)谑褂脩涀杵鬟M(jìn)行信號(hào)的處理。通過探針等方式得到的腦電波信號(hào)是一種模擬信號(hào)，過去，我們需要把模擬信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行解碼計(jì)算。 而憶阻器本身就是用模擬信號(hào)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)的，用來處理模擬信號(hào)天然擁有更塊的計(jì)算速度和更低的能耗。更低的能耗意味著，未來使用憶阻器的腦機(jī)接口，將可能不需要外接電源，這將極大地提升腦機(jī)接口系統(tǒng)的使用便利性。 未來，在純電計(jì)算之外，吳華強(qiáng)還把研究目光投向了同樣利用物理原理進(jìn)行計(jì)算的光電計(jì)算，以及 “感知、存儲(chǔ)、計(jì)算” 一體的系統(tǒng)優(yōu)化和硬件匹配。

“算力焦慮” 正在、并將在接下來的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)陪伴著我們的存在。但以憶阻器芯片、光電計(jì)算等為代表的一系列新技術(shù)，正試圖利用硬件層面的革新，把人工智能技術(shù)帶去更遠(yuǎn)的未來。

原文標(biāo)題：對(duì)抗算力焦慮！清華教授研發(fā)憶阻器芯片，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“原地”計(jì)算，相關(guān)產(chǎn)品正在轉(zhuǎn)化

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