高濱老師進(jìn)一步分享說(shuō)，人工智能對(duì)器件性能的要求很復(fù)雜，不是單純把器件阻值調(diào)穩(wěn)，就能達(dá)到系統(tǒng)要求。如加速一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的卷積層、全連接層等各種層，其實(shí)對(duì)器件的性能要求都不一樣。器件的指標(biāo)很難抽象到具體的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，以保證芯片設(shè)計(jì)的好壞。
比較全新的一個(gè)概念就是做陣列測(cè)試。不一樣的算法模型解決不一樣的數(shù)學(xué)問(wèn)題，從底層的設(shè)計(jì)是有區(qū)別的，對(duì)器件的要求也不一樣。所以在小規(guī)模的陣列上，去做測(cè)試和研究，是有助于做器件的優(yōu)化的。
圖為一個(gè) 4X4 1T1R 陣列測(cè)試框圖。從框圖可以看出，陣列測(cè)試不僅測(cè)試硬件連接復(fù)雜，其控制流程及測(cè)試序列更需要定制。
高濱老師特別強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“不過(guò)最好還是要落實(shí)到器件上去做優(yōu)化。去調(diào)整器件里面電子、離子的輸運(yùn)，最后去看整體算法的效果。這其實(shí)就是系統(tǒng)和器件之間的協(xié)同發(fā)展?！?
而在新器件工藝上，當(dāng)前摩爾定律正面臨極限挑戰(zhàn)，一個(gè)方向是繼續(xù)“延續(xù)摩爾定律”。國(guó)際上幾大公司，都還在不斷研究新的先進(jìn)工藝，如堆疊三維基層晶體管。但門檻太高，能做的企業(yè)寥寥無(wú)幾。
高濱老師分享說(shuō)：“目前另一個(gè)新的方向是單片三維集層，它與現(xiàn)在較熱的 chiplet，其實(shí)是平行路線。具體做法是，在一個(gè)襯底上盡量把很多器件三維堆疊起來(lái)。相對(duì)chiplet，其器件間的帶寬會(huì)更高。這是一個(gè)新的趨勢(shì)，可用新型 TFT 材料、薄膜氧化物、二維材料等嘗試做成后端兼容器件。”
面向傳統(tǒng)存算分離架構(gòu)制約算力提升的重大挑戰(zhàn)，去年十月，清華大學(xué)吳華強(qiáng)、高濱團(tuán)隊(duì)成功研制出了國(guó)際首顆支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片，提出了一種適于憶阻器實(shí)現(xiàn)高效片上學(xué)習(xí)的新型通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和STELLAR架構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)大規(guī)模模擬型憶阻器陣列與CMOS的單片三維集成，并成功演示了圖像分類、語(yǔ)音識(shí)別和控制任務(wù)等多種片上增量學(xué)習(xí)功能。該成果通過(guò)算法、架構(gòu)、集成方式的全流程協(xié)同創(chuàng)新，展示出高適應(yīng)性、高能效、高通用性、高準(zhǔn)確率等特點(diǎn)，為發(fā)展高算力芯片探索出了一條創(chuàng)新路徑。
憶阻器的發(fā)展趨勢(shì)
在新興的信息時(shí)代，發(fā)展和探究憶阻器的各種性能刻不容緩。憶阻器全稱記憶電阻，是一種具有電荷記憶功能的非線性電阻，于1971年，由加州大學(xué)伯克利分校的華裔科學(xué)家蔡少棠教授提出。蔡教授從電路完整性角度出發(fā)，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出憶阻器的概念。
憶阻器是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的核心器件，它為發(fā)展信息存儲(chǔ)與處理融合的新型計(jì)算體系架構(gòu)，突破傳統(tǒng)馮·諾伊曼架構(gòu)瓶頸，提供了可行的路線，其性能直接影響神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力。
憶阻器的發(fā)展有三個(gè)階段：
第一個(gè)階段主要做存儲(chǔ)；
第二階段，就是現(xiàn)在做的存算一體，加速人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的；
第三便是類腦計(jì)算，不過(guò)它本質(zhì)還是憶阻器，因?yàn)樗枰脩涀杵鞯囊恍﹦?dòng)力學(xué)特性。憶阻器主要是調(diào)節(jié)內(nèi)部的離子輸運(yùn)，存算一體更多是利用它的靜態(tài)過(guò)程。未來(lái)還可以利用電離子的很多動(dòng)態(tài)過(guò)程，去做更像神經(jīng)元的一些行為。
憶阻器也是目前材料和電子領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。其中，氧化物材料在憶阻器研究中具有重大價(jià)值。高濱老師分享說(shuō)：“雖然對(duì)于氧化物憶阻器目前看似已經(jīng)到了發(fā)展的瓶頸期，但未來(lái)，還是有好幾個(gè)突破點(diǎn)的?！?
據(jù)高濱老師分享，可靠性和密度是非常值得關(guān)注的方向。
可靠性。一個(gè)器件能調(diào)節(jié)出很多個(gè)穩(wěn)定的電路狀態(tài)，叫多比特存儲(chǔ)。只有做到多比特存儲(chǔ)，很多計(jì)算的效率才能提高。而多比特存儲(chǔ)，目前最高阻和最低阻都比較穩(wěn)定。但中間阻態(tài)，由于原子分布的形貌比較特殊，就沒(méi)那么穩(wěn)定，這很大程度就限制了憶阻器的應(yīng)用。如何把中間阻態(tài)做穩(wěn)定，本身是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。以及如何同時(shí)去監(jiān)測(cè)中間阻態(tài)，對(duì)測(cè)試也提出了很大的挑戰(zhàn)。
