成果推介 | 基于多模态、可重构的存算一体化芯片制造技术

在数字化时代，集成电路产业是整个信息产业的“芯”与“魂”，以大数据、云计算和人工智能等为代表的信息应用正在驱动新一轮科技革命，作为信息产业心脏的集成电路产业已经与国民经济、社会生活深度融合，并成为综合国力和工业体系竞争力的“温度计”。

本期“成果推介”栏目将聚焦“多模态可重构存算一体芯片”，该技术将如何在数据大爆炸时代助力技术瓶颈突破，一起来看！

01

所属领域

计算机科学、神经计算科学、人工智能、机器学习、存算一体及通用芯片等领域

02

项目介绍

01  市场痛点

随着新一代信息技术的兴起，数据以指数级形式爆炸性增长。传统计算设备计算和存储功能分离，面对计算中心的数据洪流，运算过程中数据需要在两者之间频繁传输，搬运时间往往是CPU运算时间的成百上千倍，整个过程的无用能耗大概在80%左右，数据搬运慢、算力低及功耗大等问题成为数据计算的关键瓶颈，难以满足人工智能应用的低时延、高能效、高可扩展性的需求，阻碍信息技术的发展。

02  解决方案

在选通晶体管的漏极中嵌入兼具模拟态和数字态功能的双模态忆阻器件，通过共享源极的方式形成双晶体管结构。利用忆阻器的阻值进行数据存储和计算，直接在存储单元中实现逻辑计算，从本质上消除不必要的数据搬移延迟和功耗，采用交叉阵列的形式进行高密度集成，形成新型存算一体运算架构，进行二维/三维矩阵运算，以大幅减少片内/片间的数据通信和搬移，达到降低功耗、提高系统算力的目的。通过配置双模态忆阻器件的模拟和数字工作状态，可以在同一个阵列中实现模拟态下的卷积神经网络、脉冲神经网络加速运算和数字态下的三态内容寻址加速运算，实现可重构的存算一体阵列 (如下图)。

图1 晶体管的关断选通状态与忆阻器的不同阻态相结合

03  技术优势

存算一体架构通过对存储器单元本身进行算法嵌入，使计算过程在存储器单元内直接完成。本团队基于兼具模拟态和数字态的双模态忆阻器的存算一体阵列，既可灵活切换两种计算模式又可实现数据搜索，提高了存算一体阵列的灵活性和可重构性，同时满足图像处理、物联网、数据路由及通讯等不同人工智能场景下的计算需求。

图2 团队基于LetNet5架构的仿真结构计算出识别精度大于87.7%、能效大于16.97 TOPS/W(是NVIDIA Tesla V100的170倍)、性能密度0.71 TOPS/mm2（是NVIDIA Tesla V100的24.8倍）的高性能忆阻器存算一体芯片

04  技术成熟度

目前团队所设计的低功耗兼具模拟和数字双模态忆阻器已获得64个连续变化的模拟电导状态及开关比大于103的数字存储功能，为多模态存算一体阵列提供基础单元器件。

图3 本团队器件实现的模拟和数字双模态

团队完成将忆阻器嵌入在选通晶体管的漏端形成的单晶体管器件，成功地实现了高度仿生的动力学，允许在没有任何外围电路的单个器件中实现多种信号的时空整合。

图4 基于忆阻器与晶体管形成的单晶体管器件

团队实现基于自选存储忆阻器单元的1 Terabit交叉阵列中编程和读取144个二进制位，且阵列的潜行串扰电流低于10fA。

图5 本团队实现的1 Terabit存算一体阵列

05  市场前景 

存算一体计算架构正处于快速发展阶段，近年来，一些大型科技公司纷纷投入该研发领域，并取得了一定成效。而且，在人工智能、医疗保健、自动驾驶、物联网等领域中也可以看到存算一体架构技术的应用，这些领域的发展也将推动多模态存算一体芯片技术的市场增长

06  知识产权 

国家授权发明专利2项；申请国际专利2项。

03

合作需求

1.专利许可或专利转让。

2.与龙头企业开展合作研发。

04

团队介绍

本项目的技术负责人为浙江大学杭州国际科创中心百人计划入选者张亦舒，长期从事基于新型忆阻器件的类脑智能芯片研究，近五年以第一作者和通讯作者发表SCI论文11篇，其中包括《自然通讯》《先进材料》《纳米快报》等国际顶尖学术期刊；以第一发明人身份申请国内外发明专利8项，其中授权专利4项，申请国际专利2项。

联系人：赵老师

联系方式：0571-82990668

邮箱：[e-mail]

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内容来源：科研发展部 

本文编辑：孔晓睿

审核：潘怡蒙

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