國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然 · 電子》近日發(fā)表的一項新研究顯示，憶阻器能像人腦神經(jīng)元一樣同時計算和存儲數(shù)據(jù)，并以超低功耗有效解決人工智能醫(yī)療診斷問題。
該研究用憶阻器加速機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，訓(xùn)練所需能耗僅有基于數(shù)字 CMOS 方法的十萬分之一。這展示了憶阻器在低功耗或網(wǎng)絡(luò) “邊緣”應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
相關(guān)論文已發(fā)表于本月《自然 · 電子》期刊上，其題目為《利用馬爾可夫鏈蒙特卡羅抽樣的固有憶阻器可變性進(jìn)行原位學(xué)習(xí)（In situ learning using intrinsic memristor variability via Markov chain Monte Carlo sampling）》。
一、模擬人腦神經(jīng)元突觸的新興存儲技術(shù)
憶阻器是一種低功耗非易失性存儲技術(shù)，可模擬神經(jīng)元的一些基本特性。
大約 50 年前，美國加州大學(xué)伯克利分校教授蔡少棠在 1971 年已經(jīng)預(yù)言了這一技術(shù)的存在。
但直到 2008 年，惠普實驗室發(fā)表了基于 TiO2 的阻變存儲器（RRAM）器件的論文，憶阻器才被首次研發(fā)創(chuàng)造出來。
憶阻器本質(zhì)上是電開關(guān)，在電源關(guān)閉后，能記住它們是打開還是關(guān)閉的。和人腦神經(jīng)元之間的突觸相似，其電導(dǎo)率的增強(qiáng)或減弱由過去多少電流經(jīng)過決定。
理論上，憶阻器可以像神經(jīng)元一樣，能同時計算和存儲數(shù)據(jù)。因此，研究人員認(rèn)為，憶阻器可以大大減少傳統(tǒng)計算機(jī)在處理器和存儲器之間來回傳輸數(shù)據(jù)所損耗的能量和時間。
這種設(shè)備也可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中很好地工作。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種使用合成突觸和神經(jīng)元來模擬人類大腦學(xué)習(xí)過程的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
二、相較傳統(tǒng)數(shù)字 CMOS 器件，能耗降低 5 個數(shù)量級
憶阻器應(yīng)用的一個挑戰(zhàn)是這些器件的隨機(jī)可變性。
這項研究的第一作者、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的電氣工程師托馬斯 · 達(dá)爾加蒂（Thomas Dalaty）說，憶阻器的電阻或?qū)щ娦运饺Q于連接兩個電極的少量原子，這使它們的電性能很難控制。
憶阻器是通過高電導(dǎo)開態(tài)和低電導(dǎo)關(guān)態(tài)之間循環(huán)編程的。通常，由于器件內(nèi)部固有的隨機(jī)過程，憶阻器的電導(dǎo)率可能會在一個開啟狀態(tài)和下一個開啟狀態(tài)之間變化。
但如果憶阻器開關(guān)次數(shù)足夠多，每個憶阻器的電導(dǎo)率就會遵循 “鐘形曲線”模式。
研究人員透露，他們可以實現(xiàn)一種被稱為馬爾科夫鏈蒙特卡羅（MCMC，Markov chain Monte Carlo）采樣算法，來積極利用憶阻器這種可預(yù)測的行為，解決一些機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。
與傳統(tǒng)數(shù)字 CMOS 電子器件的性能相比，達(dá)爾加蒂團(tuán)隊的憶阻陣列能耗足足降低了 5 個數(shù)量級（10 萬倍）。
達(dá)爾加蒂解釋說，10 萬倍的差異相當(dāng)于 “世界上最高的建筑哈利法塔與一枚硬幣的高度之差”，這是因為憶阻器不需要在處理器和存儲器之間來回傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)約了大量時間和能耗。
三、心率異常檢出率高于傳統(tǒng)非憶阻器電子技術(shù)
憶阻器的一個潛在應(yīng)用是能夠在網(wǎng)絡(luò) “邊緣”進(jìn)行學(xué)習(xí)、調(diào)整和操作的設(shè)備，如嵌入式系統(tǒng)、智能家居設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點(diǎn)等低功耗設(shè)備。達(dá)爾加蒂認(rèn)為，憶阻器可以幫助邊緣學(xué)習(xí)設(shè)備成為現(xiàn)實。
“當(dāng)前邊緣學(xué)習(xí)是不可能的，因為使用現(xiàn)有硬件執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)所需的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣可用的能量?！彼忉屨f，“邊緣學(xué)習(xí)（使用憶阻器）…… 可能會打開以前無法實現(xiàn)的全新應(yīng)用領(lǐng)域。”
在研究中，利用憶阻器的隨機(jī)可變性，研究人員使用由 16384 個憶阻器組成的陣列實現(xiàn)馬爾科夫鏈蒙特卡羅采樣，從心電圖記錄中執(zhí)行惡性組織識別和心律異常檢測任務(wù)。
實驗結(jié)果顯示，相比基于傳統(tǒng)非憶阻器電子技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種新方法的檢出率更高。
該研究團(tuán)隊還使用他們的陣列來解決診斷惡性乳腺組織樣本等圖像識別任務(wù)。
未來，邊緣學(xué)習(xí)憶阻器的潛在應(yīng)用可能包括植入醫(yī)療早期預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以適應(yīng)患者隨時間變化的狀態(tài)。
達(dá)爾加蒂說，他們正在尋找那些真正受能源限制而無法實現(xiàn)的邊緣應(yīng)用。
在他看來，下一個大的挑戰(zhàn)是將將所有的功能整合到一個可在實驗室外部應(yīng)用的單一集成芯片上，而這種芯片可能還需要幾年的時間才能問世。
結(jié)語：憶阻器領(lǐng)域發(fā)展迅速，研發(fā)競賽已經(jīng)開始
據(jù)了解，自惠普憶阻器原型問世以來，國際研究迅速升溫，至今已有百余所研究機(jī)構(gòu)參與。不僅英、德、韓等國相繼加入，Intel、IBM 等工業(yè)巨頭也在美國軍方支持下砸下重金。
雖然在我國由于學(xué)科交叉、產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)聯(lián)系不緊密等原因發(fā)展較為落后。不過華中科技大學(xué)、清華、北大、國防科大和中科院微電子所等單位已經(jīng)聯(lián)合申報了項目，并且已經(jīng)有所成就。
國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授徐暉如此評價道：“憶阻器帶來的變革，將在世界電子科技領(lǐng)域引發(fā)一場基礎(chǔ)性的影響重大的競賽?！?/p>
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