清华团队获突破，AI忆阻器打破“冯诺依曼限制”

与非网 2 月 26 日讯，据报道，传统的计算机将数据储存在内存中，而后传送到办理器运算。

这种来回“搬运”数据的流动消耗能源和工夫，被认为是冯·诺依曼计算架构的核心瓶颈。

而人类的大脑却并非如此，而是间接在记忆体里计算。

被认为具有“存算一体”潜力的忆阻器，因此成为类脑计算范围的热门器件。

清华大学微电子所、将来芯片技术高精尖翻新中心钱鹤、吴华强团队与竞争者在顶尖学术期刊、英国《作做》杂志（Nature）在线颁发论文，报导了基于忆阻器阵列芯片卷积网络的完好硬件实现。

该存算一体系统在办理卷积神经网络（CNN）时能效比前沿的图形处理器芯片（GPU）高两个数量级，可以说在一定程度上冲破了“冯诺依曼瓶颈”的限制：大幅提升算力的同时，实现了更小的功耗和更低的硬件成本。

什么是忆阻器？忆阻器，全称记忆电阻器（Memristor），是继电阻、电容、电感之后的第四种电路底子元件，默示磁通与电荷之间的关系，最早由加州大学伯克利分校教授蔡少棠在 1971 年预言存在，惠普公司在 2008 年研造成功。

简略来说，这种组件的的电阻会随着通过的电流质而扭转，而且就算电流进行了，它的电阻依然会停留在之前的值，直到承遭到反向的电流它才会被推回去，就是说能“记住”之前的电流质。

这种巧妙的成效，其实和神经元突触有相仿之处。

再加上忆阻器还具有尺寸小、支配罪耗低、可大规模集成（三维集成）等优点，难怪计算机科学家们在忆阻器身上看到了存算一体、低能耗类脑计算的前景。

忆阻器阵列只管国内外许多企业、钻研机构赐与存眷，但据清华大学新闻页面报导，当前国际上的忆阻器钻研还停留在简略网络构制的验证，或者基于少质器件数据停止的仿真。

基于忆阻器阵列的完好硬件实现依然有不少挑战。

比如，器件方面，须要造备高一致、牢靠的阵列；系统方面，忆阻器因工做原理而存在固出缺陷（如器件间波动，器件电导卡滞，电导形态漂移等），会招致计算精确率降低；架构方面，忆阻器阵列实现卷积罪能须要以串行滑动的方式间断采样、计算多个输入块，无奈婚配全连贯构制的计算效率。

通过连年来积攒的一些成就，钱鹤、吴华强团队逐渐优化资料和器件构制，造备出了高性能的忆阻器阵列。

2017 年 5 月，该课题组就曾在《作做通讯》呈文称，初度实现了基于 1024 个氧化物忆阻器阵列的类脑计算，将氧化物忆阻器的集成规模进步了一个数质级。

这使芯片愈加高效地完成人脸识别计算任务，将能耗降低到原来的千分之一以下。

忆阻器神经网络此次，钱、吴团队集成了 8 个包含 2048 个忆阻器的阵列，以进步并行计算的效率。

在此根底上，他们构建了一个五层的卷积神经网络停止图像识别，取得了 96%以上的高精度，成绩显示，基于忆阻器的卷积神经网络比目前最先进的 GPU 的能效要超出逾越两个数质级。

这样的提升是如何实现的？原来，为处置惩罚惩罚器件固出缺陷构成的系统识别精确率下降问题，他们提出了一种新型的混合训练算法，仅需用较少的图像样本训练神经网络，并微调了最后一层网络的局部权重。

与此同时，他们提出了空间并行的机造，将雷同卷积核编程到多组忆阻器阵列中，各组忆阻器阵列可并行办理差异的卷积输入块，进步并行度来加速卷积计算。

多个忆阻器阵列并行办理随着摩尔定律放缓，计算界翘首以待新的架构冲破冯诺依曼瓶颈，适应越来越复杂的 AI 问题。

基于忆阻器的存算一体系统在这场角逐中稳步前进。