中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-017）——南京大学缪峰团队提出迄今最高并行度的神经形态计算方案

1

工作简介

         ——迄今最高并行度的神经形态计算方案

《科学》杂志在今年4月份提出了125个最具挑战性的前沿科学问题，其中信息科学领域的首个问题便是：计算机处理速度是否有上限？（Is there an upper limit to computer processing speed?）由于发热问题，数字计算机中处理器的时钟频率在十多年来已经停止了增长，这也导致传统计算机在有着大规模计算需求的物联网、自动驾驶等应用场景中面临巨大挑战。突破这一挑战的关键是发展并行计算技术，通过提高并行度来提升处理速度的上限。但是，常规的多核、多芯片、多板卡并行计算系统均采用“空间换时间”的妥协方式来提升算力。如何利用新的计算硬件和计算方案来实现大规模并行计算，从而实现信息处理速度的不断提升，是未来计算领域一个广受关注的议题。

神经形态计算具备存算一体的特点，有望突破传统计算机的发展阻碍。针对如何在神经形态计算中克服常规并行计算方案所面临的挑战，南京大学物理学院缪峰教授团队提出用时间上连续的信号作为信息载体，引入频率维度从而实现并行神经形态计算的方案，打破了传统并行方案需要“用空间换取时间”的局面。相关研究成果以“Scalable massively parallel computing using continuous-time data representation in nanoscale crossbar array”（利用连续时间数据表达在纳米尺度交叉阵列上实现可扩展大规模并行计算）为题于 2021年7月8日发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上。（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00943-y）。

研究团队基于忆阻器交叉阵列可以在时间上连续处理信息的特性，提出了在频域上采用频分复用实现并行计算的方案。研究团队利用该方案设计了两种操作模式：并行读取模式和并行计算模式，分别可以执行忆阻器阵列上电导矩阵的并行读取和矩阵-矩阵相乘运算的并行计算。进一步，研究团队将两个分别工作在读取和计算模式下的阵列进行级联，配合无线射频模块，实现了多张图片的并行读取、并行识别、与识别结果传输的功能演示。最后值得一提的是，在该工作中，虽然团队利用忆阻器阵列作为硬件展示，但是该频分复用计算技术可以广泛应用于相变存储器、磁隧穿结存储器、浮栅器件等其他神经形态计算硬件上。该工作为未来人工智能时代，填补海量数据计算需求所面临的算力缺口提供了可行的技术途径。

南京大学物理学院博士研究生王聪和梁世军副教授为该工作第一作者，缪峰教授为通讯作者。该工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、中科院先导B项目、南大中央高校基本科研业务费原创交叉项目等项目资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

图1. 频分复用神经形态并行计算方案，以及读取模式和计算模式的工作机制示意。

图2. 基于频分复用神经形态并行计算方案，对16张字母图片的并行读取、并行识别、与识别结果传输的示意图。

2

作者简介

第一作者

王聪，南京大学物理学院博士在读。

研究方向为基于忆阻器的神经形态电路与系统。在Nature Nanotechnology、Advanced Intelligent Systems等知名期刊上以第一作者发表学术论文。获得INAUGURAL CHUA MEMRISTOR INSTITUTE CONFERENCE: THEORY, DEVICE AND APPLICATION (ICMIC2019)、3rd IEEE International Workshop on Future Computing (IWOFC 2019)最佳海报奖。

第一作者

梁世军，南京大学物理学院副教授。

2017 年获得新加坡科技与设计大学哲学博士学位。研究兴趣包括二维电子材料的物性调控、异质结的器件物理、未来计算器件和系统应用等。截至目前，作为第一或通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Physical Review Letters、Science Advances、Advanced Materials、IEDM 等国际主流学术期刊和顶级会议上发表 50 多篇学术论文。研究成果已经被包括 Semiconductor Today 等半导体国际主流媒体跟踪报道。获得的荣誉包括：国际真空纳米电子学会“The Shoulders-Gray-Spindt (SGS) Award”、美国电气电子工程师协会的“优秀博士生奖”等。目前担任《Chinese Physics Letters》、《Chinese Physics B》、《物理学报》、《物理》四刊联合青年编委，还担任Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊的审稿人。

通讯作者

缪峰，南京大学物理学院教授、博导，国家杰出青年基金获得者，中国物理学会黄昆物理奖获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才入选者，科技部国家重大科学研究计划青年项目首席科学家，国家高层次青年人才计划入选者，国际先进材料学会IAAM奖章获得者，科睿唯安(Clarivate Analytics)全球“高被引科学家”，江苏省“十大青年科技之星”入选者。

2004年本科毕业于南京大学物理系；2009年获美国加州大学河滨分校物理学博士学位，同年获得最佳博士毕业生奖；2009-2012年在美国惠普实验室（硅谷总部）任助理研究员；2012年全职回南京大学工作。主要从事二维材料的量子调控与信息器件、以及类脑计算研究，一作或通讯在Science、Nature/Science子刊（9篇）、Phys. Rev. Lett.等国际权威学术期刊上发表论文，共发表SCI论文100余篇，总引用超过20000次；申请/授权美国/中国专利近30项。

3

原文传递

详情请点击论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00943-y

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

长按二维码关注获得更多信息