【產(chǎn)通社，12月10日訊】清華大學(xué)新聞中心（Tsinghua University News Center）官網(wǎng)消息，受大腦啟發(fā)，儲備池計(jì)算（Reservoir Computing, RC）為動態(tài)時空信號的高效處理提供了一種全新的仿生計(jì)算范式，具有易訓(xùn)練、便于硬件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來類腦計(jì)算領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。近日，唐建石課題組研制了一種以兩種不同類型的憶阻器為核心元件的全模擬RC系統(tǒng)，采用動態(tài)憶阻器陣列實(shí)現(xiàn)并行儲備池層，而讀出層則通過非易失性憶阻器陣列實(shí)現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)全數(shù)字或數(shù)�；旌系挠布軜�(gòu)，這種全憶阻器的RC系統(tǒng)具有更加精簡的電路結(jié)構(gòu)、更少的元器件數(shù)以及更低的功耗。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)實(shí)時演示了異常心率檢測和動態(tài)手勢識別等時序信號處理任務(wù)，成功實(shí)現(xiàn)了端到端的全模擬計(jì)算和極低的系統(tǒng)功耗，比傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)低三個數(shù)量級以上。

RC的核心思想是利用物理系統(tǒng)（或物理節(jié)點(diǎn)）自身的動態(tài)特性和非線性取代傳統(tǒng)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)間的循環(huán)連接，從而大幅減少硬件開銷和系統(tǒng)功耗。同時，由于消除了循環(huán)連接帶來的誤差積累問題，RC系統(tǒng)天然具備全模擬計(jì)算的優(yōu)勢與潛力。RC系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)大致可分為三個階段：全數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字-模擬混合系統(tǒng)和全模擬系統(tǒng)。由于前兩種RC系統(tǒng)都需要額外的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和寄存器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和緩存，這帶來了大量的系統(tǒng)功耗和延時。相比之下，全模擬RC系統(tǒng)中儲備池層和讀出層均由模擬元件實(shí)現(xiàn)，輸入的模擬信號可以在整個系統(tǒng)中直接傳輸和處理，無需任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和緩存。要實(shí)現(xiàn)這種能夠以極低功耗和硬件開銷實(shí)時處理時空信號的全模擬RC系統(tǒng)，主要有兩大難點(diǎn)問題：一是如何構(gòu)建狀態(tài)豐富的儲備池并尋找到物理節(jié)點(diǎn)中決定儲備池性能的關(guān)鍵特征參數(shù)；二是降低全模擬傳輸和處理過程中的噪聲對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院唐建石副教授課題組從這兩點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)出了具備全模擬計(jì)算能力的DM-RC系統(tǒng)，其核心是由24個動態(tài)憶阻器（DM）構(gòu)成的儲備池層以及由2048個非易失性憶阻器（NVM）構(gòu)成的讀出層。DM-RC系統(tǒng)中每個動態(tài)憶阻器都構(gòu)成一個物理節(jié)點(diǎn)，通過時分復(fù)用機(jī)制（Mask）能夠產(chǎn)生豐富的儲備池狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，物理節(jié)點(diǎn)的閾值、窗口等關(guān)鍵行為特征對系統(tǒng)的性能影響很大，通過調(diào)節(jié)動態(tài)憶阻器物理節(jié)點(diǎn)的閾值和窗口，可以使得儲備池計(jì)算系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)性能。此外，為了進(jìn)一步抑制噪聲等非理想特性對系統(tǒng)性能的影響，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種帶有噪聲感知能力的線性回歸算法，使用該算法所得到的輸出層權(quán)重具有較好的噪聲魯棒性，能夠很好地補(bǔ)償由器件電導(dǎo)值擾動以及模擬傳輸噪聲引起的計(jì)算精度損失。

為驗(yàn)證DM-RC系統(tǒng)實(shí)時模擬信號處理的能力，研究團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用到異常心率檢測和動態(tài)手勢識別等任務(wù)中，均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能和極低的功耗。以動態(tài)手勢識別為例，手環(huán)中的三軸加速度傳感器將手部的空間動作轉(zhuǎn)換成三路不同的模擬電信號，每路信號被分別輸入到八個DM節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生相應(yīng)的儲備池狀態(tài)，其隨后被直接傳輸?shù)椒且资詰涀杵麝嚵兄羞M(jìn)行模擬域的乘加運(yùn)算，并最終區(qū)分出四類不同的動態(tài)手勢。DM-RC系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了97.9%的分類準(zhǔn)確率，與全數(shù)字RC系統(tǒng)準(zhǔn)確率接近，但卻節(jié)省了99.9%以上的功耗。該工作展示了全模擬的儲備池計(jì)算系統(tǒng)在邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等低功耗場景中的應(yīng)用潛力。

相關(guān)成果以“面向?qū)崟r高效信號處理的憶阻器模擬儲備池計(jì)算系統(tǒng)”（A memristor-based analogue reservoir computing system for real-time and power-efficient signal processing）為題在線發(fā)表在《自然?電子》（Nature Electronics）上。清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授唐建石和教授吳華強(qiáng)是本論文的共同通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士后仲亞楠（現(xiàn)任蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院副教授）、唐建石和博士李辛毅為論文的共同第一作者。該研究得到了科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心、集成電路高精尖創(chuàng)新中心、科學(xué)探索獎等的支持。

近年來，唐建石副教授課題組圍繞憶阻器與類腦計(jì)算開展了深入研究，先后在《自然?電子》（Nature Electronics）、《自然?納米科技》（Nature Nanotechnology）、《自然?通訊》（Nature Communications）、《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）等期刊以及國際電子器件會議（IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表多篇論文。

查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站http://www.ime.tsinghua.edu.cn/info/1038/1807.htm，以及http://www.nature.com/articles/s41928-022-00838-3。（Donna Zhang，張底剪報(bào)）    （完）