您的位置:首頁 > 資訊 > 科技 >
憶阻器存算一體小功耗實現(xiàn)大算力,或許會率先應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域
來源:科技日報 2020-03-17 13:52:51

受人腦工作機理、計算方式等啟發(fā),近年來,科學(xué)家們試圖借鑒人腦的物理結(jié)構(gòu)和工作特點,讓計算機完成特定的計算任務(wù)。

不過,受制于傳統(tǒng)計算機架構(gòu)瓶頸的限制,在目前的信息計算處理技術(shù)中,數(shù)據(jù)存儲和計算需要由存儲芯片和中央處理器分別來完成。數(shù)據(jù)在二者之間“搬運”處理,耗時長、功耗大,還隨時有可能“交通堵塞”。

計算機能不能像人腦一樣將存儲和計算合二為一,從而高速處理信息?

近日,清華大學(xué)微電子所、未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心研究團隊,與合作者共同研發(fā)出一款基于多個憶阻器陣列的存算一體系統(tǒng),能夠高效地處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),能效比圖形處理器芯片高兩個數(shù)量級,有望大幅提升計算設(shè)備的算力,相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然》雜志。

存算一體小功耗實現(xiàn)大算力

隨著人工智能應(yīng)用對計算和存儲需求的不斷提升,集成電路芯片技術(shù)面臨諸多新挑戰(zhàn)。一方面,摩爾定律“漸行漸遠”,通過集成電路工藝微縮的方式獲得算力提升越來越難;另一方面,傳統(tǒng)架構(gòu)中,計算與存儲在不同電路單元中完成,大量數(shù)據(jù)搬運會造成功耗增加和額外延遲。

“如果我們把居家生活比作存儲,把上班比作計算,每天上班路上會消耗時間、能量,遇到早晚高峰,通勤時間會更長。這個場景和信息處理有很多相似之處,如果存儲和計算合二為一,就相當(dāng)于居家辦公一樣,能減少通勤時間也能節(jié)省體力消耗,可以用更小的功耗實現(xiàn)更大的算力,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。”該團隊的研究成員之一、清華大學(xué)未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授吳華強說。

所以,如何實現(xiàn)計算存儲一體化、突破算力瓶頸,成為近年來國內(nèi)外的科研熱點。

憶阻器,是繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件,這種元件的阻值是由流經(jīng)它的電荷確定的。即使電流中斷,憶阻器的電阻仍然會停留在之前的數(shù)值,這意味著,就算是斷電了,這一部分的數(shù)據(jù)還可以保留。再加上憶阻器的尺寸小,可以大規(guī)模集成,功耗低,又適合做模擬計算,所以研究團隊認(rèn)為,可以用憶阻器嘗試做存算一體、低能耗類腦計算。

但現(xiàn)實遠比理想骨感。憶阻器器件間波動、器件電導(dǎo)卡滯、電導(dǎo)狀態(tài)漂移等,會導(dǎo)致計算準(zhǔn)確率降低,制備具有高一致性、高可靠性的多值憶阻器陣列很困難。

憶阻器性能好壞,很大程度上取決于材料的選擇與組合。在選擇材料時,團隊主要考慮所選材料的物理參數(shù)是否易調(diào)控、未來是否適合產(chǎn)業(yè)化。

出于這些考量,團隊在憶阻器常用的二氧化鉿材料上,添加了一層界面調(diào)控層。這個界面調(diào)控層是一種金屬氧化層材料,它的不同成分占比可以根據(jù)不同工藝精確控制。通過這種方法,可以比較有效地控制憶阻器中二氧化鉿部分的微觀變化,以及內(nèi)部的溫度和電場。

“界面調(diào)控層就像一層口罩,不僅能隔絕病毒、灰塵,還能保暖、保濕。這種設(shè)計方式使器件具有非常優(yōu)異的電學(xué)特性,而且可以在工廠里大規(guī)模生產(chǎn)。”該研究團隊的高濱副教授說。

或許會率先應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域

想讓憶阻器存算一體系統(tǒng)解決實際問題,需要在處理大量的計算任務(wù)中,克服器件、系統(tǒng)、算法等方面的瓶頸,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是很好的“試金石”。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種重要的深度學(xué)習(xí)模型,借鑒了人腦處理視覺信息的方式,從算法角度,通過卷積、池化等操作,高效提取圖像、視頻等特征信息,在多種計算機視覺任務(wù)處理中取得了很好的效果。在傳統(tǒng)計算架構(gòu)中,受限于存儲和計算分離的設(shè)計,實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型會出現(xiàn)功耗高、延時長,無法滿足眾多生活場景中電池容量、實時操作等要求。

團隊認(rèn)為,存算一體的憶阻器,可以用來實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)模型的高效處理,滿足日常應(yīng)用對算力、功耗的要求。他們還提出了空間并行的機制,將相同卷積核編程到多組憶阻器陣列中,各組憶阻器陣列可并行處理不同的卷積輸入塊。他們集成了8個憶阻器處理單元,每個單元陣列包含2048個憶阻器件,用以提高并行計算的效率。該系統(tǒng)高效運行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,成功驗證了圖像識別功能,證明了存算一體架構(gòu)全硬件實現(xiàn)的可行性。

吳華強說,憶阻器存算一體系統(tǒng),或許會率先應(yīng)用在人工智能領(lǐng)域,如果用基于憶阻器的存算一體芯片生產(chǎn)手機,那么芯片的算力幾乎可以讓手機掌握“讀心術(shù)”,“它能聽懂你的聲音,知道你喜歡哪些照片,會跟你越來越親近,變得越來越智能。”

關(guān)鍵詞: 憶阻器
相關(guān)文章
不斷深化市場秩序治理 湖北省為消費者挽回經(jīng)濟損失1 .47億元

不斷深化市場秩序治理 湖北省為消費者挽回經(jīng)濟損

從近日召開的湖北省市場監(jiān)管工作視頻會議上了解到,2021年,湖北市場秩序治理不斷深化,群眾幸福感、獲得感、安全感不斷提升。該省12315平更多

2022-01-19 14:47:51
促進公平競爭 內(nèi)外資投資汽車行業(yè)將進行一致管理

促進公平競爭 內(nèi)外資投資汽車行業(yè)將進行一致管理

對外開放是我國的一項基本國策,近年來我國深入推進高水平對外開放,不斷放寬外資準(zhǔn)入。1月18日,在國家發(fā)展改革委召開的國家發(fā)展改革委1月更多

2022-01-19 14:23:25
寧德時代入局 十個城市首批啟動換電服務(wù)

寧德時代入局 十個城市首批啟動換電服務(wù)

昨日,寧德時代全資子公司時代電服,推出換電服務(wù)品牌EVOGO及組合換電整體解決方案。未來,EVOGO將選擇十個城市首批啟動換電服務(wù),并發(fā)布更更多

2022-01-19 13:21:36
廣西南寧出臺法規(guī)促進茉莉花產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展

廣西南寧出臺法規(guī)促進茉莉花產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展

近日,從廣西南寧市市場監(jiān)管局獲悉,《南寧橫州市茉莉花保護發(fā)展條例》(以下簡稱《條例》)經(jīng)南寧市十四屆人大常委會第三十一次會議通過,廣更多

2022-01-14 14:50:37
首超上海 2021山東出口規(guī)模全國第四

首超上海 2021山東出口規(guī)模全國第四

1月13日,山東省商務(wù)工作電視電話會議在濟南召開。會議總結(jié)了2021年全省商務(wù)工作,分析了當(dāng)前商務(wù)發(fā)展形勢,研究部署了2022年工作任務(wù)。山更多

2022-01-14 14:03:36
營造新型營商環(huán)境 推動離岸貿(mào)易新發(fā)展

營造新型營商環(huán)境 推動離岸貿(mào)易新發(fā)展

離岸貿(mào)易是服務(wù)貿(mào)易的重要組成部分,是重要的外貿(mào)新業(yè)態(tài)之一。日前,商務(wù)部發(fā)布《十四五對外貿(mào)易高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃》,在加快發(fā)展貿(mào)易新業(yè)態(tài)方更多

2022-01-12 16:57:58
國家知識產(chǎn)權(quán)出臺系列政策為中小企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供有力支持

國家知識產(chǎn)權(quán)出臺系列政策為中小企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供

為了支持中小企業(yè)發(fā)展,紓困助企,國家知識產(chǎn)權(quán)局會同相關(guān)部門出臺并推動實施了一系列政策措施,在主體培育、金融賦能、轉(zhuǎn)化運用、優(yōu)化服務(wù)等各方面為中小企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供有力支持。更多

2022-01-12 16:12:57
加強民間收藏文物管理 促進文物市場有序發(fā)展

加強民間收藏文物管理 促進文物市場有序發(fā)展

2021年12月27日,由國家文物局、國家發(fā)展改革委、人力資源社會保障部、商務(wù)部、文化和旅游部、市場監(jiān)管總局六部門聯(lián)合出臺的《關(guān)于加強民間更多

2022-01-07 16:52:48
多方合力有序推進 就業(yè)市場不斷拓寬

多方合力有序推進 就業(yè)市場不斷拓寬

教育部高校學(xué)生司司長王輝日前在教育部舉行的新聞發(fā)布會上介紹,2022屆高校畢業(yè)生規(guī)模預(yù)計1076萬人,同比增加167萬,規(guī)模和增量均創(chuàng)歷史新更多

2022-01-07 16:49:50
咖啡外賣利潤低和活動力度大 “賠本賺吆喝”真的有意義嗎?

咖啡外賣利潤低和活動力度大 “賠本賺吆喝”真的

一杯美式原價24元,減去商家對用戶的活動補貼19 3元,平臺技術(shù)服務(wù)費0 96元和履約服務(wù)費3 6元,最終預(yù)計收進(非利潤)0 14元2021年12月23日更多

2022-01-07 15:10:37
熱門
關(guān)注