全球首款多阵列忆阻器“存算一体”系统问世
一洗闲愁十五年
2020-02-28 17:22
全球首款多阵列忆阻器“存算一体”系统问世
来源：科学网 科技日报 作者：金凤 时间：2020/2/27
原文网址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/2/436321.shtm
科技日报北京2月26日电 随着摩尔定律趋近极限，通过集成电路工艺微缩的方式获得算力提升越来越难；而计算与存储在不同电路单元中完成，会造成大量数据搬运功耗增加和额外延迟。如何提高算力，突破技术瓶颈？
26日，记者从清华大学获悉，该校微电子所、未来芯片技术高精尖创新中心钱鹤、吴华强教授团队，与合作者共同研发出一款基于多个忆阻器阵列的存算一体系统，在处理卷积神经网络时的能效比图形处理器芯片高两个数量级，大幅提升计算设备的算力，且比传统芯片的功耗降低100倍。相关成果近日发表于《自然》杂志上。
如何用计算存储一体化突破AI算力瓶颈，是近年来国内外的科研热点。寻找合适的硬件，是提升算力的基础之一。
钱鹤、吴华强教授团队通过优化材料和器件结构，成功制备出高性能忆阻器阵列。为解决器件非理想特性造成的系统识别准确率下降问题，他们提出一种新型的混合训练算法，仅需用较少的图像样本训练神经网络，并通过微调最后一层网络的部分权重，使存算一体架构在手写数字集上的识别准确率达到96.19%，与软件的识别准确率相当。
同时，他们提出空间并行的机制，将相同卷积核编程到多组忆阻器阵列中，各组忆阻器阵列可并行处理不同的卷积输入块，提高并行度来加速卷积计算。
在此基础上，该团队搭建了全硬件构成的完整存算一体系统，在系统里集成了多个忆阻器阵列，并在该系统上高效运行了卷积神经网络算法，成功验证了图像识别功能，证明了存算一体架构全硬件实现的可行性。
“基于忆阻器的新型存算一体架构，可以打破算力瓶颈，满足人工智能等复杂任务对计算硬件的高需求。”清华大学未来芯片技术高精尖创新中心教授吴华强说。
转者按：另附钱鹤、吴化强科研团队旧闻一则
清华微纳电子系钱鹤、吴华强团队在物理不可克隆函数芯片领域取得重要进展
来源：清华大学官网 2019年03月22日
原文网址：https://www.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/10303/2019/20190320143543082222110/20190320143543082222110_.html
清华新闻网（2019年）3月22日电 近日，微纳电子系钱鹤、吴华强教授团队在第66届国际固态电路会议（ISSCC 2019）上以“基于阻变存储器的具有6×10-6原始比特错误率的可重构物理不可克隆函数芯片（A Reconfigurable RRAM PUF Utilizing Post-Process Randomness Source with <6×10-6 N-BER）”为题，报道了国际首个基于阻变存储器（RRAM）的物理不可克隆函数（PUF）芯片设计，该芯片在可靠性、均匀性上相对于之前工作都有明显提升，且具有独特的可重构能力，能够实现高效硬件安全防护。该芯片代号取名为XUANWU，意为具有超凡防御能力的中国古代四大神兽之一“玄武”。
物理不可克隆函数芯片（XUANWU X01）
这项工作得到了《自然·电子》（Nature Electronics）的关注。3月15日，在其最新发布的刊物中以研究亮点（Research Highlight）的方式给予了重点报道，认为具备可重构一个全新的PUF芯片的能力是一种独特特点，大大降低了密钥过度使用以及更改硬件所有权的风险。文章中还指出：“清华大学研制出了一种基于阻变存储器的PUF芯片，通过了美国国家标准与技术研究院的随机测试……采用差分阻值的方法，实现了原始位误码率低于<6×10-6，验证了该PUF芯片优异的抗环境变化的稳定性。”
随着智能硬件的广泛普及，半导体供应链安全威胁的增加，硬件安全变得越来越重要，仅基于软件的安全防护已经不能满足需求。近年来，物理不可克隆函数已经成为一种新的硬件安全防护手段。集成电路PUF可以利用器件固有的随机性（如工艺的随机性）在特定的激励下产生不可预测的响应，进而充当了唯一性识别芯片的硬件“指纹”。然而，传统的集成电路PUF存在两个明显的缺点：首先，工艺的偏差存在一定的固有偏执，导致PUF输出的随机性不足。其次，由于工艺偏差直接产生于集成电路制造过程中，一旦产生则不可进行改变，进而导致PUF的输出不可进行重构。在这种情况下，当PUF遭遇多次攻击或寿命用尽时，被PUF保护的硬件则会重新遭遇硬件安全威胁。
RRAM作为一种新型存储器，利用器件的电阻值完成对信息的存储。相比于传统的闪存（flash）以及动态随机存储器（DRAM），RRAM具有高速、低功耗、面积小等多项优势，是新一代高性能存储器的重要候选之一。此外，RRAM因其所特有的类神经元特性也被广泛用于类脑计算领域。由于RRAM的工作原理是基于导电细丝的断裂与生长，而这个过程存在较强的随机性，使RRAM的电阻存在器件与器件之间（D2D）以及循环与循环之间（C2C）的随机性，这些随机特性也使其适用于硬件安全防护。
针对传统集成电路PUF的不足，利用RRAM的优势，清华大学微纳电子系博士研究生庞亚川在ISSCC2019上首次介绍了一种基于RRAM电阻随机性的可重构物理不可克隆函数芯片设计。该报告提出了一种电阻差分方法用于产生PUF输出以消除工艺固有偏差以及电压降（IR drop）的不利影响。为了在电路层次实现该方法，该团队设计了一款高精度的灵敏放大器电路以精确比较两个RRAM器件的电阻。大量的测试数据显示所设计的RRAM PUF与之前的工作相比，具有最低的原始比特错误率、最小的单元面积、最好的均匀性以及独特的可重构能力，能够有效抵抗物理攻击，具有很好的发展潜力。
XUANWU X01技术指标情况
IEEE ISSCC（International Solid-State Circuits Conference 国际固态电路会议）始于1953年，是集成电路设计领域最高级别的学术会议，素有“集成电路领域的奥林匹克”之称。
清华大学微纳电子系博士生庞亚川为该论文的第一作者，吴华强教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、北京市科委、北京未来芯片技术高精尖创新中心等相关项目的支持。
团队合影（从左至右分别为钱鹤、庞亚川、吴华强、高滨）
近年来，微纳电子系钱鹤、吴华强团队围绕阻变存储器的关键科学问题，从材料器件优化、架构设计到系统集成、芯片应用等方面开展了系统研究，在国际期刊如《自然·通讯》《先进材料》《纳米快报》及领域顶级学术会议如国际电子器件会议（IEDM）、超大规模集成电路会议 （VLSI）、国际固态电路会议（ISSCC）等发表多篇学术论文，为阻变存储器芯片的产业化打下技术基础。
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