人工智慧技術的發展浪潮極大地改變了人類的生產生活方式，對當前人類文明的各個領域產生了深刻的影響，並且還將持續深入地影響下去。
但人工智慧技術依靠大算力的支撐，隨著技術的爆炸式發展，它對大算力的需求也節節高升。然而，現有的算力短缺與龐大的算力需求之間形成了越來越突出的矛盾。晶片作為算力的物質載體，面臨著急需攻克的挑戰。如何加快研製高算力、高能效的晶片，解決龐大的算力缺口，實現算力的大幅提升，是當前的硬體技術需要解決的迫切問題，也是卡住人工智慧技術發展速度「脖子」的核心問題。
日前，清華大學集成電路學院教授吳華強、副教授高濱團隊基於存算一體計算範式，研製出全球首顆全系統集成的、支持高效片上學習（機器學習能在硬體端直接完成）的憶阻器存算一體晶片，在支持片上學習的憶阻器存算一體晶片領域取得重大突破，有望促進人工智慧、自動駕駛、可穿戴設備等領域發展。相關成果以「面向邊緣學習的全集成類腦憶阻器晶片」（Edge Learning Using a Fully Integrated Neuro-Inspired Memristor Chip）為題在線發表在最新一期的《科學》上。
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什麼是憶阻器晶片呢？據介紹，憶阻器（Memristor）是繼電阻、電容、電感之後的第四種電路基本元件。
在憶阻器晶片發明之前的傳統晶片都是基於馮·諾依曼模型的，它將存儲器和處理器分開，並通過數據總線進行連接，需要在處理器和內存之間來回移動數據。這種存算分離帶來的高能耗和高延遲、低隱私和低安全性、低適應性和低魯棒性，成為制約算力提升的一大挑戰。
為了解決這些問題和挑戰，一種新的計算範式被提出，即存算一體計算範式。存算一體計算範式是指將存儲器和處理器集成在一個晶片上，並利用存儲器本身的物理特性來進行計算。這樣就解決了傳統計算架構範式的不足。
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存算一體計算範式的關鍵是存儲器本身就具有計算功能，為了實現這一點，一種新型的存儲器件被發明，這就是憶阻器。憶阻器是一種像人腦神經元一樣具有記憶功能的電阻器，在斷電之後，它仍能「記憶」起之前通過的電荷。它是電子學領域的一項重大突破，在數據存儲、計算、加密和通信方面都表現出了巨大的潛力。
自 2012 年以來，清華大學錢鶴、吳華強、高濱團隊從研發憶阻器件、原型晶片起步，一步步發展到系統集成、計算理論，研製出全球首顆全系統集成的、支持高效片上學習的憶阻器存算一體晶片，所有與學習相關的計算均在該晶片上完成。
硬體實測結果顯示，該晶片包含支持完整片上學習所必需的全部電路模塊，在涉及圖像分類、語音識別、控制任務的多個片上學習任務中，該晶片的能耗僅為先進工藝下專用集成電路（ASIC）系統的3%，同時有望實現75倍的能效提升，還能夠有效保護用戶隱私和數據。展示出高適應性、高能效、高通用性、高準確率等特點，極具滿足人工智慧時代高算力需求的應用潛力。
參考文獻
[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3483
策劃製作
本文為科普中國-星空計劃作品
出品｜中國科協科普部
監製｜中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
作者丨曾心月 科普創作者
審核丨黃永光 中國科學院半導體研究所 光電子晶片 副研究員
責編丨鍾艷平 祁媛（實習生）