北京大學(xué)集成電路學(xué)院楊玉超教授課題組首次硬件實(shí)現(xiàn)了電容耦合的VO2相變振蕩動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)。

自上世紀(jì)中葉以來(lái)，計(jì)算機(jī)和計(jì)算芯片以晶體管為基本元件構(gòu)建數(shù)字處理電路，摩爾定律驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能增長(zhǎng)。而當(dāng)晶體管尺寸微縮接近物理極限，摩爾定律面臨終結(jié)，芯片算力增長(zhǎng)逐漸放緩，人類(lèi)正在步入后摩爾時(shí)代。此外，以CPU、GPU為代表的傳統(tǒng)芯片架構(gòu)下計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元的分離也造成頻繁的數(shù)據(jù)搬運(yùn)，形成速度、功耗瓶頸（馮諾依曼瓶頸），在近年來(lái)興起的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)密集型計(jì)算任務(wù)上問(wèn)題進(jìn)一步凸顯。未來(lái)智能計(jì)算需求仍面臨指數(shù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)瓶頸更加突出，亟需從器件創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新層面為后摩爾時(shí)代算力持續(xù)增長(zhǎng)提供新的驅(qū)動(dòng)力。

近年來(lái)，通過(guò)存算一體、類(lèi)腦計(jì)算等新型計(jì)算范式構(gòu)建具有高效智能計(jì)算芯片與系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。然而，在現(xiàn)有計(jì)算系統(tǒng)下全部智能、復(fù)雜性、適應(yīng)性都是由軟件編程（事實(shí)上是編程的生物智能體-人）所賦予的，器件、電路本身均不具備任何復(fù)雜性與適應(yīng)性。與之相比，生物系統(tǒng)展示出了分子、細(xì)胞、系統(tǒng)等多層次、全方位的智能、復(fù)雜性與適應(yīng)性，對(duì)于發(fā)展新一代智能、高效計(jì)算技術(shù)具有重要啟發(fā)意義。

存算一體計(jì)算范式的關(guān)鍵是存儲(chǔ)器本身就具有計(jì)算功能，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一種新型的存儲(chǔ)器件被發(fā)明，這就是憶阻器。憶阻器是一種像人腦神經(jīng)元一樣具有記憶功能的電阻器，在斷電之后，它仍能“記憶”起之前通過(guò)的電荷。它是電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、加密和通信方面都表現(xiàn)出了巨大的潛力。

傳統(tǒng)電路元件在處理外界物理信號(hào)時(shí)存在面積和效率的瓶頸，而新興的憶阻器件具備豐富的內(nèi)稟非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)，這類(lèi)器件底層的物理動(dòng)力學(xué)帶來(lái)了全新的計(jì)算資源，是產(chǎn)生自底向上智能涌現(xiàn)的關(guān)鍵。其中，具有時(shí)空耦合特性的莫特憶阻器及其耦合振蕩動(dòng)力學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜且可控的群體動(dòng)力學(xué)行為，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜傳感信號(hào)的處理。這樣一種新的計(jì)算系統(tǒng)有望最大限度地減少傳感器和處理單元之間的冗余數(shù)據(jù)移動(dòng)，滿(mǎn)足可穿戴電子設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)于先進(jìn)的傳感系統(tǒng)在速度、面積和能效方面需求。

圖一、傳感信息處理框架的對(duì)比

針對(duì)領(lǐng)域關(guān)鍵需求與挑戰(zhàn)，北京大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心楊玉超教授課題組首次硬件實(shí)現(xiàn)了電容耦合的VO2相變振蕩動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)。傳感數(shù)據(jù)遵循分層處理原則，包括傳感預(yù)處理（編碼、過(guò)濾和特征增強(qiáng)）到后處理（識(shí)別、分類(lèi)和定位）。針對(duì)預(yù)處理模塊，團(tuán)隊(duì)首先制備出具有高度均一性的氧化釩憶阻器件，并基于此構(gòu)建具有傳感功能的VO2振蕩器。進(jìn)一步利用電容電路耦合多個(gè)VO2振蕩器構(gòu)建出同步動(dòng)力學(xué)特征，其中，信息被編碼在同步后的相位差中。

該耦合VO2振蕩器網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建傳感預(yù)處理的連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，具有極低的能量延遲積。在后處理模塊中，團(tuán)隊(duì)針對(duì)耦合振蕩器連續(xù)時(shí)間輸出的特征設(shè)計(jì)了具有高選擇特異性的決策網(wǎng)絡(luò)模塊，從而構(gòu)建出完整的動(dòng)態(tài)傳感與處理的計(jì)算系統(tǒng)。硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了耦合網(wǎng)絡(luò)在觸摸識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別等感官處理任務(wù)中表現(xiàn)出色，相比傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)在器件數(shù)目和能量延遲積等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖二、基于硬件耦合振蕩網(wǎng)絡(luò)的手勢(shì)識(shí)別任務(wù)

憶阻器耦合振蕩動(dòng)力學(xué)計(jì)算帶來(lái)全新的計(jì)算特征，利用電路耦合將多個(gè)器件內(nèi)部的物理動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)起來(lái)，在相空間中形成穩(wěn)定的極限環(huán)軌跡。器件數(shù)目的增加帶來(lái)計(jì)算空間的指數(shù)級(jí)提升，n個(gè)器件可以編碼2n種模式。利用決策網(wǎng)絡(luò)可以分辨出耦合振蕩的特征模式，對(duì)動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行讀取。該研究為高效憶阻動(dòng)力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)提供了一種新的探索方向，有望推動(dòng)高度緊湊的智能計(jì)算系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖三、3個(gè)耦合振蕩器的8種相空間模式與決策分類(lèi)結(jié)果

相關(guān)成果以“High-order sensory processing nanocircuit based on coupled VO2 oscillators”為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。北京大學(xué)集成電路學(xué)院2017級(jí)博士生楊可和2021級(jí)博士生王洋昊為共同第一作者，張騰博士和楊玉超教授為通訊作者，中科院物理所葛琛研究員課題組為本項(xiàng)目提供材料生長(zhǎng)方面的支持，北京大學(xué)麥戈文腦研究所吳思教授課題組為本項(xiàng)目提供決策算法方面的支持。相關(guān)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年基金、后摩爾重大研究計(jì)劃、集成電路高精尖創(chuàng)新中心等項(xiàng)目的資助。

審核編輯：劉清