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IBM推出具有相變存儲器的8位模擬芯片

2018-12-05
關鍵詞: 電子器件 模擬芯片

12月3號,在舊金山舉行的IEEE國際電子器件會議(IEEE International Electron Devices Meeting)上,來自IBM的報告介紹了一種新的8位模擬芯片。但真正的發(fā)展并不是模擬芯片追趕上了數(shù)字芯片,而是對芯片架構的徹底重新思考。該芯片是第一個在存儲信息的地方執(zhí)行8位計算的芯片。

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這項研究的首席研究員Abu Sebastian(來自IBM蘇黎世研究中心)說,在傳統(tǒng)的馮·諾依曼芯片架構中,數(shù)據(jù)不斷地在內存和處理器之間穿梭,這消耗了寶貴的能量和時間。內存計算是降低功耗同時提高性能的合乎邏輯的下一步。這方面的進步對于硬件跟上人工智能的發(fā)展是必要的。

IBM的新型模擬芯片是基于相變存儲器的。關鍵成分是一種可以對電流作出反應而發(fā)生相變的材料。它們通常是鍺、碲和銻的合金。在導電的那個相中,原子排列得很整齊。在另一個不導電的相中,原子四處運動,被電流局部加熱,變得雜亂無章。

兩個電極之間的相變材料不會像0和1那樣在有序和雜亂的排列之間完全切換。相反,在任何時間點,都是兩種排列的混合:材料的總電阻取決于原子雜亂排列的區(qū)域的大小。

Sebastian說:“我們正在根據(jù)原子排列對信息進行編碼?!崩?,神經網(wǎng)絡的權重可以以相變存儲器設備中的電阻的方式來存儲和訪問。

但這些電阻存在漂移和波動的問題。因為當讀取信息時電流通過相變材料,所以原子排列雜亂的區(qū)域每次都會改變一點——這限制了這種器件的精度和實用性。

為了解決這個問題,IBM的研究人員給相變存儲器引入了一個所謂的投影段(projection segment)。投影段是該團隊在2015年首次提出的,它是一個金屬氮化物導電層,包裹著相變材料芯,并在電極之間平行于相變材料芯運行。投影段將信息的寫入和讀取過程分開。

這個投影段在寫入信息時不做任何事情;所有的電流都會流過相變材料而調整原子排列雜亂的區(qū)域。但是,當檢索信息時,電流流過投影段并繞過原子排列雜亂的區(qū)域,使它們保持不變,并保留所存儲的信息。Sebastian說:“這是關鍵的創(chuàng)新。”

研究人員在一個包含有30個相變存儲器的8位芯片上測試了單層神經網(wǎng)絡,以識別數(shù)字1、0和4的圖像,測試結果達到了100%的分類精度。雖然現(xiàn)在還為時過早,但Sebastian估計,與傳統(tǒng)計算相比,這一進展可能為未來的設備帶來100至1000倍的節(jié)能效果。

傳統(tǒng)計算追求的是精確度,而隨著人工智能的發(fā)展,現(xiàn)在有與之相反的計算追求。IBM當天還介紹了一種數(shù)字芯片,它也是8位的,同時在神經網(wǎng)絡訓練中保持了高準確性。這種神經網(wǎng)絡更進一步地模擬人腦,而人腦通??梢詮暮苌俚男畔⒅械贸稣_的結論。

IBM負責研究的副總裁Jeff Welser這比作從一個霧蒙蒙的窗戶往外看,看到一個模糊的人朝你家走來。“只要你認得出那是你的媽媽,圖像的精度有多低都沒有關系,”Welser說,“你得到了你所需的正確信息?!?/p>


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