近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強(qiáng)副教授高濱團(tuán)隊(duì)基于存算一體計(jì)算范式研制出全球首顆全系統(tǒng)集成的支持高效片上學(xué)習(xí)（機(jī)器學(xué)習(xí)能在硬件端直接完成）的憶阻器存算一體芯片。在支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片領(lǐng)域取得重大突破。有望促進(jìn)人工智能、自動(dòng)駕駛可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展！

2012年，錢鶴和吳華強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)開始致力于研究利用憶阻器進(jìn)行存儲(chǔ)。然而，當(dāng)時(shí)憶阻器的材料和集成工藝尚未成熟，因此團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不斷摸索，希望提高器件的一致性和良率。
兩年后，清華大學(xué)、中科院微電子所和北京大學(xué)等單位合作，對(duì)憶阻器的器件工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并成功制備出高性能的憶阻器陣列。這一進(jìn)展使得我國成為了在憶阻器陣列大規(guī)模集成方面的領(lǐng)先者。

到了2020年，錢鶴和吳華強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)基于多陣列憶阻器，構(gòu)建了一個(gè)全硬件構(gòu)成的系統(tǒng)。他們成功地運(yùn)行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，驗(yàn)證了圖像識(shí)別功能。與傳統(tǒng)的圖形處理器芯片相比，這個(gè)系統(tǒng)的能效提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅提升了計(jì)算設(shè)備的算力。通過更小的功耗和更低的硬件成本，他們成功地完成了復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。

▲ 存算一體系統(tǒng)架構(gòu)

清華大學(xué)指出，存算一體架構(gòu)類似于新型的“在家辦公”模式，徹底減少了通勤的能源消耗，避免了往返通勤所帶來的時(shí)間延遲，同時(shí)顯著降低了辦公場所的運(yùn)營成本。這種架構(gòu)在邊緣計(jì)算和云計(jì)算領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

錢鶴和吳華強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于憶阻器存算一體的高效片上學(xué)習(xí)的通用算法和架構(gòu)（STELLAR），并成功研制出全球首顆全系統(tǒng)集成、支持高效片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片。

▲ 基于憶阻器存算一體實(shí)現(xiàn)高效片上學(xué)習(xí)的通用算法和架構(gòu)

“存算一體片上學(xué)習(xí)在實(shí)現(xiàn)更低延遲和更小能耗的同時(shí)，能夠有效保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù)。”博士后姚鵬介紹，該芯片參照仿生類腦處理方式，可實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)的快速“片上訓(xùn)練”與“片上識(shí)別”，能夠有效完成邊緣計(jì)算場景下的增量學(xué)習(xí)任務(wù)，以極低的耗電適應(yīng)新場景、學(xué)習(xí)新知識(shí)，以滿足用戶的個(gè)性化需求。

什么是存算一體芯片？

存算一體芯片是一種集成了存儲(chǔ)和計(jì)算功能的新型芯片架構(gòu)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)和計(jì)算是分離的，數(shù)據(jù)需要從存儲(chǔ)器傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行計(jì)算。而存算一體芯片將存儲(chǔ)單元（通常是內(nèi)存）與計(jì)算單元（通常是處理器）集成在同一片芯片上，這樣可以在芯片內(nèi)部直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

其架構(gòu)通常包括以下關(guān)鍵組件：

1. 計(jì)算單元（Compute Units）：存算一體芯片內(nèi)部集成了多個(gè)計(jì)算單元，這些單元可以執(zhí)行各種計(jì)算操作，例如矩陣運(yùn)算、向量運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。計(jì)算單元通常配備了高性能的處理器核心，用于執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。

2. 存儲(chǔ)單元（Storage Units）：存算一體芯片內(nèi)部包含存儲(chǔ)單元，通常是閃存（Flash）或其他非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)。這些存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算所需的中間結(jié)果。存儲(chǔ)單元的高速讀寫能力對(duì)于存算一體芯片的性能至關(guān)重要。

3. 內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)（Interconnect）：存算一體芯片內(nèi)部有高效的互連網(wǎng)絡(luò)，用于連接計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和計(jì)算結(jié)果的返回。這種內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)通常被設(shè)計(jì)為低延遲和高帶寬的結(jié)構(gòu)。

4. 存算一體引擎（Computational Storage Engine）：存算一體芯片通常配備了存算一體引擎，這是一種硬件模塊，用于執(zhí)行存儲(chǔ)計(jì)算任務(wù)。這些任務(wù)可以包括數(shù)據(jù)壓縮、加密解密、數(shù)據(jù)過濾和查詢等。存算一體引擎可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

5. 高速緩存（Cache）：存算一體芯片內(nèi)部通常集成了高速緩存，用于臨時(shí)存儲(chǔ)計(jì)算過程中的中間數(shù)據(jù)，減少對(duì)主存儲(chǔ)器的訪問次數(shù)，提高計(jì)算效率。

6. 管理和控制單元（Management and Control Unit）：這個(gè)單元負(fù)責(zé)存算一體芯片的整體管理和控制。它監(jiān)測芯片狀態(tài)、處理錯(cuò)誤，管理數(shù)據(jù)流和任務(wù)調(diào)度，確保存算一體芯片的正常運(yùn)行。

這種集成的架構(gòu)具有以下優(yōu)勢

1. 降低延遲：存儲(chǔ)和計(jì)算在同一芯片上完成，避免了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，加快了數(shù)據(jù)處理速度。

2. 節(jié)省能源：數(shù)據(jù)傳輸通常需要消耗大量能量，存算一體芯片減少了數(shù)據(jù)傳輸，降低了能源消耗。

3. 提高性能：存算一體芯片可以實(shí)現(xiàn)更緊密的存儲(chǔ)和計(jì)算集成，從而提高整體性能。

4. 增加數(shù)據(jù)安全性：減少了數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲或篡改的可能性。

當(dāng)前存算一體芯片技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

1. 散熱問題：集成存儲(chǔ)和計(jì)算單元可能導(dǎo)致芯片發(fā)熱問題，需要解決散熱和熱管理方面的挑戰(zhàn)。

2. 制程技術(shù)：制造存算一體芯片需要先進(jìn)的制程技術(shù)，包括三維堆疊技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)于存算一體芯片的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

3. 內(nèi)存容量和速度： 存儲(chǔ)器的容量和速度需要達(dá)到足夠高的水平，以滿足各種應(yīng)用場景的需求。

4. 軟硬件兼容性：存算一體芯片需要與現(xiàn)有的軟件和硬件系統(tǒng)兼容，確保平穩(wěn)過渡和升級(jí)。

5. 可靠性和穩(wěn)定性：存算一體芯片需要具備高度的可靠性，尤其是在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域

存算一體芯片具有高度集成的優(yōu)勢，因此在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛的潛在應(yīng)用，包括但不限于：

1. 人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）：存算一體芯片可以加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練和推斷過程，提高深度學(xué)習(xí)算法的性能和效率。

2. 大數(shù)據(jù)分析： 在大數(shù)據(jù)處理中，存算一體芯片可以更快速地處理海量數(shù)據(jù)，加速數(shù)據(jù)分析和挖掘過程。

3. 科學(xué)計(jì)算和模擬： 對(duì)于需要大規(guī)模計(jì)算的科學(xué)問題，存算一體芯片可以提供更快速的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，用于模擬和分析復(fù)雜的自然現(xiàn)象。

4. 云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心： 存算一體芯片可以提供更高效的云計(jì)算服務(wù)，減少數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，提高服?wù)器性能和能源利用率。

5. 邊緣計(jì)算（Edge Computing）：存算一體芯片可以被用于邊緣設(shè)備，加速本地?cái)?shù)據(jù)處理，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，提高邊緣計(jì)算系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

6. 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）：存算一體芯片可以提供更高的圖形處理和計(jì)算能力，改善虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的性能和體驗(yàn)。

7. 自動(dòng)駕駛和智能交通系統(tǒng)：存算一體芯片在處理傳感器數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別和決策制定方面具有潛在應(yīng)用，用于實(shí)現(xiàn)更智能的交通系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛技術(shù)。

8. 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：存算一體芯片可以被集成到各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，提供本地?cái)?shù)據(jù)處理和決策能力，減少對(duì)云服務(wù)的依賴，增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能化。

這些場景只是存算一體芯片應(yīng)用的一部分示例，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步擴(kuò)展和深化。