基于憶阻器的存算一體變革性技術(shù)正成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的前沿?zé)狳c。

在今日舉辦的創(chuàng)新智能芯片，共筑未來航天學(xué)術(shù)會議當(dāng)中，清華大學(xué)集成電路學(xué)院院長吳華強教授做了題為《基于憶阻器存算一體芯片的研究進展》的報告。

吳華強院長以計算驅(qū)動集成電路技術(shù)的發(fā)展、基于憶阻器存算一體芯片研究進展、總結(jié)與展望三個角度展開。

計算驅(qū)動集成電路技術(shù)的發(fā)展

吳華強院長提出集成電路有兩個核心特征：信息元和信息元的超大規(guī)模集成，同時提出在集成電路的發(fā)展中有“三座大山”難以翻越，分別為“存儲墻”、“功耗墻”、“面積墻”。存算分離的傳統(tǒng)架構(gòu)的問題帶來了“存儲墻”；“存儲墻” 導(dǎo)致延遲長、大量晶體管發(fā)熱的問題，引來“功耗墻”；“功耗墻”功耗高、供電和散熱復(fù)雜、曝光場大小限制芯片面積的問題，導(dǎo)致“面積墻”；最后“面積墻”的問題導(dǎo)致良率急劇降低。另外伴隨著人工智能的算法模型變得越來越復(fù)雜，模型參數(shù)量急劇增長，對計算芯片提出了巨大挑戰(zhàn)。美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會SIA在《半導(dǎo)體十年計劃》中指出當(dāng)前計算耗能的增長速度遠超全球總能量的增長速度極大限制了算力的持續(xù)增長，未來亟需新的計算范式。

未來集成電路將通過計算范式、芯片架構(gòu)和集成方法等創(chuàng)新，突破高算力發(fā)展瓶頸。具體創(chuàng)新方法為：Chiplet異質(zhì)集成提高晶體管數(shù)量、存算一體技術(shù)提高每單位器件的算力、可重構(gòu)異構(gòu)計算架構(gòu)提高算力擴展性。

計算新范式

憶阻器開啟高性能計算新范式—存算一體 + 模擬計算。

憶阻器存算一體芯片由馮諾依曼架構(gòu)轉(zhuǎn)向存算一體架構(gòu)。

AI算力需求驅(qū)動下的模擬計算發(fā)展

AI算法對算力的需求呈爆炸式增長，數(shù)字芯片的算力已不能滿足需求。

對于AI算法，“存儲墻”成為主要的計算瓶頸，需要把大量參數(shù)配置在計算本地，不能頻繁的從DRAM搬運數(shù)據(jù)。

AI算法的算子比較集中，與憶阻器陣列的契合度很好。

AI算法中，比特精確≠系統(tǒng)精確，為憶阻器模擬計算提供了重要的契機。

近十年來，憶阻器存算一體技術(shù)研究已從器件與陣列演示發(fā)展到原型芯片與系統(tǒng)，國際競爭激烈，備受學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。

基于憶阻器存算一體芯片研究進展

憶阻器的特點：電阻連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)變，是一種新型納米器件；具有生物可信性，可作為“神經(jīng)形態(tài)器件”模擬神經(jīng)元、突觸功能；具備存算一體特性，可大幅提升算力和能效。

憶阻器存算一體芯片的新挑戰(zhàn)及解決思路

如何真正克服比特誤差對系統(tǒng)誤差的影響？

混合訓(xùn)練框架。

如何高效、低成本的設(shè)計并制造出憶阻器存算一體芯片？

CMOS嵌入式集成 + EDA工具鏈。

如何提升存算一體架構(gòu)的通用性，使其適配更多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法？

發(fā)展面向存算一體芯片的軟件工具鏈。

混合訓(xùn)練框架

由片外壓力訓(xùn)練和片上自適應(yīng)訓(xùn)練組成的混合訓(xùn)練框架。在片外壓力訓(xùn)練中引入系統(tǒng)誤差模型，構(gòu)建具有誤差耐受性的網(wǎng)絡(luò)模型，提升實際硬件系統(tǒng)中的精度。在權(quán)重映射到芯片后，通過原位更新關(guān)鍵層權(quán)重進行自適應(yīng)訓(xùn)練，進一步提升精度。

高性能憶阻器件

基于主流HfO2阻變材料，設(shè)計熱交換層和疊層結(jié)構(gòu)的新器件結(jié)構(gòu)，有效抑制了憶阻器離散性和不穩(wěn)定性，實現(xiàn)阻態(tài)的精確調(diào)制。

EDA工具鏈

研發(fā)從器件工藝仿真到電路模塊設(shè)計，再到系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的EDA工具鏈。

存算一體芯片軟件工具鏈

編譯器：對接算法層，實現(xiàn)向存算一體計算單元上高效部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及生成可執(zhí)行程序的功能。

軟件模擬：對接編譯器/算法層，集成底層硬件模型，考慮真實器件的非理想因素，實現(xiàn)對真實硬件功能與性能的評估與探索。

硬件模擬器：對接編譯器，功能完整的計算單元模塊，模擬存算一體SoC工作過程中的數(shù)據(jù)信號與控制信號變化情況。

研究進展

吳華強教授分享了清華大學(xué)在憶阻器存算一體方面的諸多進展：

1.國際首顆全系統(tǒng)集成的憶阻器存算一體芯片：清華大學(xué)與華為合作研發(fā)存算一體邊緣智能芯片，是國際第一個全集成芯片。芯片的成功測試和演示有力地證明了基于憶阻器存算一體架構(gòu)的可行性，130nm工藝存算一體芯片的能效相比14nm節(jié)點CPU提升了一個數(shù)量級，未來還有很大的提升潛力。

2.國際首款多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)：清華大學(xué)提出了提高系統(tǒng)精度的混合訓(xùn)練框架，完成多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能效比英偉達GPU高110倍，證明多陣列存算一體技術(shù)的可行性和能效、算力優(yōu)勢。

3.多核、可重構(gòu)的憶阻器存算一體芯片：清華大學(xué)與斯坦福大學(xué)等合作，通過軟硬件跨層次協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)通用、高能效存算一體芯片。

總結(jié)與展望

最后，吳華強教授提到，基于憶阻器的存算一體變革性技術(shù)將帶來很多變化：其一，從底層器件到編譯器等層面的改變，實現(xiàn)新計算機系統(tǒng)，但不改變現(xiàn)有編程語言；其二，新計算系統(tǒng)能效將提高102-103倍以上，達到1POPs/W；其三，單芯片算力可以得到有效提升，達到500TOPs或者1POPs。

審核編輯 ：李倩