1月29日消息，中國科研人員1月28日在《自然》雜志發(fā)表論文，清華大學(xué)、北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)科研人員成功基于國產(chǎn)工藝研制出FLEXI系列全柔性數(shù)字型存算一體芯片，突破了柔性電子應(yīng)用于邊緣高性能人工智能計(jì)算的天然瓶頸。

該芯片基于低溫多晶硅薄膜晶體管，薄如蟬翼，可隨意彎折，并具備超低功耗、高能效與低成本等優(yōu)勢。

該芯片還采用了以全數(shù)字靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器為核心的“存算一體”架構(gòu)，相當(dāng)于把“記憶單元”和“計(jì)算單元”合二為一。

從清華大學(xué)官方介紹獲悉，F(xiàn)LEXI 采用低溫多晶硅（LTPS）CMOS 工藝制造，兼具輕薄、低成本和高能效等優(yōu)勢。該系列包括 FLEXI-1（1 kb）、FLEXI-4（4 kb）和 FLEXI-32（32 kb）三種規(guī)格，最多集成約 26.5 萬個(gè)晶體管，在單一柔性基片上實(shí)現(xiàn)了 SRAM 存儲(chǔ)、計(jì)算單元和外圍電路的高度集成。

FLEXI 采用模塊化、可擴(kuò)展的數(shù)字存算架構(gòu)，每個(gè)模塊由 6T-SRAM 單元及嵌入式可重構(gòu)本地處理單元（RLPU）構(gòu)成，支持穩(wěn)定、高速、并行的點(diǎn)積運(yùn)算。通過覆蓋制造工藝、電路設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)的跨層級(jí)協(xié)同優(yōu)化（CLCO）策略，F(xiàn)LEXI 在工藝波動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力條件下仍能保持優(yōu)異的計(jì)算精度、面積效率和能效表現(xiàn)，并高效支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理中的單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）運(yùn)算。

為降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重反復(fù)寫入帶來的能耗與時(shí)間開銷，研究團(tuán)隊(duì)針對不同芯片容量設(shè)計(jì)了一組輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)權(quán)重的片上一次性部署。這些模型可在 FLEXI 芯片上高效處理心電信號(hào)、語音、圖像以及多模態(tài)生理信號(hào)等多種數(shù)據(jù)類型，即使在最小規(guī)模的 FLEXI-1 芯片上也可穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)LEXI 芯片可在 2.5–5.5 V 電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并在半徑 1 mm、180° 對折條件下經(jīng)受超過 4 萬次彎折循環(huán)而性能無明顯退化。

在 FLEXI-1 上，芯片分別實(shí)現(xiàn)了 12.5 MHz 的高性能運(yùn)行模式和 55.94 μW 的超低功耗運(yùn)行模式。

同時(shí)，F(xiàn)LEXI 在長時(shí)間高頻運(yùn)算中實(shí)現(xiàn)零錯(cuò)誤運(yùn)行，整體良率達(dá) 70%–92%，單芯片成本低于 1 美元，并具備良好的長期穩(wěn)定性。

與已報(bào)道的柔性計(jì)算芯片相比，F(xiàn)LEXI 在時(shí)鐘頻率和能效方面均實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)提升；相較于同步 CPU，其能量–延遲積降低 3–4 個(gè)數(shù)量級(jí)。高性能、低功耗與優(yōu)異機(jī)械可靠性的結(jié)合，使 FLEXI 成為面向邊緣人工智能應(yīng)用的極具潛力的柔性計(jì)算平臺(tái)。

在應(yīng)用驗(yàn)證方面，研究團(tuán)隊(duì)將 FLEXI 用于日常活動(dòng)的連續(xù)監(jiān)測與識(shí)別，展示了其在可穿戴健康監(jiān)測和多模態(tài)傳感器內(nèi)計(jì)算中的應(yīng)用前景。團(tuán)隊(duì)采集了受試者在不同狀態(tài)下的心率、呼吸頻率、體溫和皮膚水分等多模態(tài)生理信號(hào)，構(gòu)建了輕量級(jí)四通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在 FLEXI-1 上實(shí)現(xiàn)一次性片上部署。通過量化感知訓(xùn)練，該模型在測試集上實(shí)現(xiàn)了 97.4% 的分類準(zhǔn)確率。

總體而言，F(xiàn)LEXI 是一種基于 LTPS-TFT 技術(shù)的柔性數(shù)字存內(nèi)計(jì)算芯片。通過工藝–電路–算法協(xié)同優(yōu)化，該芯片在高頻計(jì)算、極端機(jī)械應(yīng)力和加速老化條件下均保持穩(wěn)定、無誤差運(yùn)行，并展現(xiàn)出超過 6 個(gè)月的長期穩(wěn)定性。相關(guān)成果為柔性電子器件在移動(dòng)醫(yī)療、嵌入式智能及其他邊緣計(jì)算場景中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院 2021 級(jí)博士生閆岸之、2021 級(jí)碩士生閆澗瀾、2022 級(jí)碩士生沈鵬輝，以及北京大學(xué)集成電路學(xué)院 2023 級(jí)博士生符一涵為論文共同第一作者；清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、清華大學(xué)信息國家研究中心劉厚方副研究員及北京大學(xué)人工智能研究院燕博南助理教授為共同通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院楊軼副教授等為論文共同作者。清華大學(xué)為本論文的第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心及北京市自然科學(xué)基金委員會(huì)等機(jī)構(gòu)的支持。