新的技術(shù)不僅有利于低精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，而且也有利于高精度的科學計算。

　　麻省大學阿默斯特分校的研究表明，憶阻器設(shè)備可以使用顯著更少的能量解決復雜的科學問題，克服數(shù)字計算的主要障礙之一。

　　包括馬薩諸塞大學阿默斯特分校工程師在內(nèi)的一組研究人員已經(jīng)證明，他們的模擬計算設(shè)備（稱為憶阻器）可以完成復雜的科學計算任務(wù)，同時繞過數(shù)字計算的限制。

　　應(yīng)對現(xiàn)代計算挑戰(zhàn)

　　當今許多重要的科學問題——從納米級材料建模到大規(guī)模氣候科學——都可以使用復雜的方程來探索。然而，當今的數(shù)字計算系統(tǒng)在執(zhí)行這些計算時在速度、能耗和基礎(chǔ)設(shè)施方面已達到極限。

　　麻省大學阿默斯特分校電氣與計算機工程系教授、 《科學》雜志上發(fā)表的這項研究的通訊作者之一夏強飛解釋說，利用當前的計算方法，每次想要存儲信息或給計算機分配任務(wù)時，需要在內(nèi)存和計算單元之間移動數(shù)據(jù)。由于復雜的任務(wù)需要移動大量數(shù)據(jù)，人們基本上會遇到某種處理“交通堵塞”。

　　利用憶阻器技術(shù)徹底改變計算

　　傳統(tǒng)計算解決此問題的一種方法是增加帶寬。相反，夏強飛和他在馬薩諸塞大學阿默斯特分校、南加州大學和計算技術(shù)制造商 TetraMem 的同事使用模擬憶阻器技術(shù)實現(xiàn)了內(nèi)存計算，作為替代方案，可以通過減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)來避免這些瓶頸。

　　該團隊的內(nèi)存計算依賴于一種稱為憶阻器的電子元件——內(nèi)存和電阻器的組合（控制電路中的電流）。憶阻器控制電路中的電流流動，同時即使在電源關(guān)閉時也“記住”先前的狀態(tài)，這與當今基于晶體管的計算機芯片不同，后者只能在通電時保存信息。憶阻器器件可以被編程為多個電阻級別，從而增加一個單元中的信息密度。

　　提高計算效率

　　當組織成縱橫陣列時，這種憶阻電路通過以大規(guī)模并行方式使用物理定律進行模擬計算，從而大大加速矩陣運算，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最常用但非常耗電的計算。計算是在設(shè)備現(xiàn)場執(zhí)行的，而不是在內(nèi)存和處理之間移動數(shù)據(jù)。夏強飛用交通比喻，將內(nèi)存計算與疫情時期最嚴重時幾乎空無一人的道路進行了比較：“你消除了傳輸擁堵，因為‘每個人都在家工作’，我們同時工作，但我們只發(fā)送重要的數(shù)據(jù)/結(jié)果?！?/p>

　　此前，這些研究人員證明他們的憶阻器可以完成低精度計算任務(wù)，例如機器學習，其他應(yīng)用包括模擬信號處理、射頻傳感和硬件安全。

　　高精度計算的突破

　　“在這項工作中，我們提出并演示了一種新的電路架構(gòu)和編程協(xié)議，可以使用多個相對低精度的模擬器件（例如憶阻器）的加權(quán)和來有效地表示高精度數(shù)字，同時大大減少電路開銷，與現(xiàn)有的量化方法相比，能量和延遲更低?！毕膹婏w說。

　　“這篇論文的突破在于我們進一步突破了界限，”他補充道。“這項技術(shù)不僅有利于低精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，而且也有利于高精度的科學計算?！?/p>

　　為了進行原理驗證演示，憶阻器解決了靜態(tài)和隨時間演化的偏微分方程、納維-斯托克斯方程和磁流體動力學問題。

　　“我們把自己推出了自己的舒適區(qū)，”他說，超越了邊緣計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的低精度要求，擴展到高精度科學計算。

　　麻省大學阿默斯特分校的團隊和合作者花了十多年的時間來設(shè)計合適的憶阻器器件并構(gòu)建用于模擬內(nèi)存計算的大型電路和計算機芯片。“我們過去十年的研究使模擬憶阻器成為一種可行的技術(shù)?，F(xiàn)在是時候?qū)⑷绱藗ゴ蟮募夹g(shù)引入半導體行業(yè)，以使廣大的人工智能硬件社區(qū)受益?！毕膹婏w說。

　　為什么需要存算一體？

　　對比目前各種計算芯片動輒成百上千瓦的功耗，人類大腦只需要約20W就可以實現(xiàn)靈活高性能的計算，這啟發(fā)人們重新關(guān)注大腦的結(jié)構(gòu)與特性。與計算機傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)中存算分離的模式不同，實際生物大腦中的神經(jīng)元既參與計算又參與存儲，不存在上述的各種存算分離局限，受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計出了存算一體架構(gòu)。

　　存算一體架構(gòu)需要一種既可以作為計算單元又可以作為存儲單元的器件，憶阻器的特性剛好與之契合。憶阻器是基于器件阻值來存儲信息的，并且其電阻可以通過外加的激勵實現(xiàn)連續(xù)、可逆的調(diào)節(jié)，在去掉激勵后仍可以保持當前電阻狀態(tài)，這種特性與生物神經(jīng)元突觸非常相似，因此憶阻器也被稱為“電子突觸器件”。

　　憶阻器通常由金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）的夾層結(jié)構(gòu)組成，包含2層電極和1層憶阻功能層，其電學特性往往與電極層和功能層密切相關(guān)。依據(jù)不同的工作機理，廣義上的憶阻器主要包含以下幾種類型：阻變隨機存儲器（RRAM），相變存儲器（PCM），磁隨機存儲器（MRAM），鐵電存儲器（ferroelectric memory）。

　　審核編輯：黃飛