北京大學(xué)首次硬件實現(xiàn)電容耦合的VO2相變振蕩動力學(xué)計算系統(tǒng)

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現(xiàn)了電容耦合的VO2相變振蕩動力學(xué)計算系統(tǒng)。

自上世紀中葉以來，計算機和計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)動計算性能增長。而當晶體管尺寸微縮接近物理極限，摩爾定律面臨終結(jié)，芯片算力增長逐漸放緩，人類正在步入后摩爾時代。此外，以CPU、GPU為代表的傳統(tǒng)芯片架構(gòu)下計算單元與存儲單元的分離也造成頻繁的數(shù)據(jù)搬運，形成速度、功耗瓶頸（馮諾依曼瓶頸），在近年來興起的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)密集型計算任務(wù)上問題進一步凸顯。未來智能計算需求仍面臨指數(shù)增長，傳統(tǒng)計算架構(gòu)瓶頸更加突出，亟需從器件創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新層面為后摩爾時代算力持續(xù)增長提供新的驅(qū)動力。

近年來，通過存算一體、類腦計算等新型計算范式構(gòu)建具有高效智能計算芯片與系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著進展。然而，在現(xiàn)有計算系統(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、細胞、系統(tǒng)等多層次、全方位的智能、復(fù)雜性與適應(yīng)性，對于發(fā)展新一代智能、高效計算技術(shù)具有重要啟發(fā)意義。

存算一體計算范式的關(guān)鍵是存儲器本身就具有計算功能，為了實現(xiàn)這一點，一種新型的存儲器件被發(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”起之前通過的電荷。它是電子學(xué)領(lǐng)域的一項重大突破，在數(shù)據(jù)存儲、計算、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時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)稟非線性動力學(xué)，這類器件底層的物理動力學(xué)帶來了全新的計算資源，是產(chǎn)生自底向上智能涌現(xiàn)的關(guān)鍵。其中，具有時空耦合特性的莫特憶阻器及其耦合振蕩動力學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜且可控的群體動力學(xué)行為，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜傳感信號的處理。這樣一種新的計算系統(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，滿足可穿戴電子設(shè)備、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對于先進的傳感系統(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比

針對領(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現(xiàn)了電容耦合的VO2相變振蕩動力學(xué)計算系統(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、過濾和特征增強）到后處理（識別、分類和定位）。針對預(yù)處理模塊，團隊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。進一步利用電容電路耦合多個VO2振蕩器構(gòu)建出同步動力學(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)時間動態(tài)系統(tǒng)，具有極低的能量延遲積。在后處理模塊中，團隊針對耦合振蕩器連續(xù)時間輸出的特征設(shè)計了具有高選擇特異性的決策網(wǎng)絡(luò)模塊，從而構(gòu)建出完整的動態(tài)傳感與處理的計算系統(tǒng)。硬件實驗結(jié)果證明了耦合網(wǎng)絡(luò)在觸摸識別和手勢識別等感官處理任務(wù)中表現(xiàn)出色，相比傳統(tǒng)的硬件實現(xiàn)在器件數(shù)目和能量延遲積等方面具有顯著優(yōu)勢。

圖二、基于硬件耦合振蕩網(wǎng)絡(luò)的手勢識別任務(wù)

憶阻器耦合振蕩動力學(xué)計算帶來全新的計算特征，利用電路耦合將多個器件內(nèi)部的物理動力學(xué)關(guān)聯(lián)起來，在相空間中形成穩(wěn)定的極限環(huán)軌跡。器件數(shù)目的增加帶來計算空間的指數(shù)級提升，n個器件可以編碼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，對動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)的輸出進行讀取。該研究為高效憶阻動力學(xué)計算系統(tǒng)提供了一種新的探索方向，有望推動高度緊湊的智能計算系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

圖三、3個耦合振蕩器的8種相空間模式與決策分類結(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級博士生楊可和2021級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目提供材料生長方面的支持，北京大學(xué)麥戈文腦研究所吳思教授課題組為本項目提供決策算法方面的支持。相關(guān)研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年基金、后摩爾重大研究計劃、集成電路高精尖創(chuàng)新中心等項目的資助。

審核編輯：劉清