中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-039）——国际首颗支持片上学习的忆阻器存算一体芯片

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工作简介

         ——国际首颗支持片上学习的忆阻器存算一体芯片

探究超越冯氏架构能效的新机制是后摩尔时代芯片发展的核心科学问题。近年来，生成式人工智能的快速发展对智能设备的学习能力和能效提出了新要求。基于传统计算系统进行神经网络模型训练时，数据在计算单元和存储单元间来回搬运，由此导致的高能耗问题限制了在线学习在边缘智能设备上的实现，极大影响了设备在复杂场景下的推理决策能力。忆阻器是一种新型纳米器件，基于忆阻器的存算一体技术可以实现高能效神经形态芯片。忆阻器融合存储与计算，突破传统架构对算力的限制，令高效片上在线学习成为可能，然而，全系统集成的、支持高效片上学习的存算一体芯片仍未问世。

针对这一挑战，清华大学集成电路学院/北京集成电路高精尖创新中心的钱鹤、吴华强教授团队首次提出适配忆阻器片上学习的新型通用算法和架构（STELLAR），有效实现大规模模拟型忆阻器阵列与CMOS的单片三维集成，研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上学习的存算一体芯片。该芯片包含支持完整片上学习所必须的全部电路模块，成功完成图像分类、语音识别和控制任务等多种片上增量学习功能验证。相同任务下，该芯片实现片上学习的能耗仅为先进工艺下专用集成电路（ASIC）系统的3%，展示出高适应性、高能效、高通用性、高准确率等特点，有效强化了智能设备在实际应用场景下的学习适应能力。本工作通过算法、架构、集成方式的全流程协同创新，揭示了人工智能时代下存算一体芯片边缘学习的新范式，为突破冯·诺依曼传统计算架构下的能效瓶颈提供了一种创新发展路径。
_{图1. 支持片上学习的忆阻器存算一体芯片。}
研究成果于2023年9月15日以“Edge Learning Using a Fully Integrated Neuro-Inspired Memristor Chip”为题发表在《Science》[381(6663): 1205-1211]，姚鹏、张文彬为共同第一作者，吴华强教授、高滨副教授为共同通讯作者。

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作者简介

通讯作者

吴华强，清华大学教授，集成电路学院院长。

吴华强，教授，清华大学集成电路学院院长、微电子学研究所所长，北京集成电路高精尖创新中心执行主任。长期从事新型存储器及存算一体技术研究，涵盖了从器件、工艺集成、架构、算法、芯片以及系统等多个层次。先后负责国家自然科学基金、国家863、973计划、重大专项、重点研发等国家重大科技任务20余项，在《自然》（Nature）、《科学》（Science）、《自然·电子》（Nature Electronics）等期刊发表SCI论文100余篇，在集成电路三大顶级国际会议（IEDM/VLSI/ISSCC）发表论文30余篇，2021年入选全球顶尖前10万科学家和IEEE EDS杰出讲者，2022年入选全球高被引学者。拥有美国及中国专利100余项，孵化出4家高科技公司，实现了阻变存储器技术的产业化。2019年获首届“科学探索奖”，2020年获国家自然科学基金委员会杰出青年基金，2022年获中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖，2023年获评“北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才”及北京市优秀党员等称号。

通讯作者

高滨，清华大学集成电路学院副教授。

2008年和2013年在北京大学分别获得学士和博士学位，2015年加入清华大学。现主要从事先进存储器和存算一体芯片研究，在Nature、Nature Electronics等顶级期刊以及IEDM、VLSI、ISSCC、DAC等顶级会议发表论文100余篇，引用11000余次。担任了IEDM、IRPS、EDTM、ICTA的技术分委会主席，在重要国际学术会议做特邀报告10余次。2012年获得IEEE EDS PhD Student Fellowship，2020年获得国家青年人才项目支持，作为负责人承担了自然基金重点项目、国家重大研究计划等百万级以上课题10项。2022年获中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖，获评2022中国十大新锐科技人物。

第一作者

姚鹏，清华大学集成电路学院助理研究员。

多年来一直从事基于忆阻器的新型存算一体智能硬件系统工作，从新器件、新原理、新架构出发，探索更高算力、能效的计算硬件。发表学术论文近60篇，申请专利30余项，引用4300余次。相关成果以第一作者发表在Nature、Science（共一）、Nature Communications等顶级期刊，成果同时被ISSCC、VLSI、IEDM等半导体领域顶级会议报道，。获评清华大学“学术新秀”、中国电子学会优秀博士论文，获得2020世界人工智能大会最高奖SAIL奖，获选青年优秀论文奖（上海市科协），2020年度中国半导体十大研究进展，获评2023中国新锐科技人物卓越影响奖，获得2022年中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖等。

第一作者

张文彬，博士生。

2019年进入清华大学集成电路学院攻读博士学位至今，研究方向为基于忆阻器的存算一体技术。读博期间以第一（或共同第一）作者发表学术论文3篇，其中1篇发表在Science期刊上。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3483

《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。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“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》于2020年初启动实施 “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！