本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)，作者/吳子鵬。
近一段時間，存算一體再燃熱潮，成為破除“內(nèi)存墻”，以及打造大算力芯片的主要路徑之一。不過我們今天的話題比存算一體還要更多元，它就是“感存算一體化”。
正如開篇提到的，存算一體芯片是為了打破馮諾依曼存儲計算分離的計算架構(gòu)所造成的“內(nèi)存墻”的系統(tǒng)限制，而“感存算一體化”則是在這個體系里增加了傳感。以傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系為例，數(shù)據(jù)基本是在傳感、存儲和計算芯片三個部分流轉(zhuǎn)，而三位合一無疑能夠降低能耗和延遲。
具體的實現(xiàn)方式，我們參考華南先進(jìn)光電子研究院樊貞團(tuán)隊在《Nature Communications》發(fā)表的研究成果，如下圖所示，該團(tuán)隊利用鐵電Pb(Zr0.2Ti0.8)O3外延薄膜的大極化和受極化調(diào)控的光伏效應(yīng)，構(gòu)建了高質(zhì)量鐵電光伏傳感器，然后完成了感知和處理圖像的FE-PS-NET的概念驗證，可以實現(xiàn)高可靠性、超低延遲和零能耗的推理。
圖源：華東師范大學(xué)新聞網(wǎng)
和存算一體一樣，“感存算一體化”也是處于行業(yè)發(fā)展的早期階段，學(xué)術(shù)性研究比較多，除了我們剛剛提到的華南先進(jìn)光電子研究院樊貞團(tuán)隊，國內(nèi)武漢光電國家研究中心、光學(xué)與電子信息學(xué)院繆向水教授、葉鐳副教授團(tuán)隊也在做相關(guān)的研究。2021年8月份，《Science》(科學(xué))雜志曾發(fā)表過一篇繆向水教授、葉鐳副教授團(tuán)隊的論文，論文中提出了二維材料與鐵電近鄰耦合實現(xiàn)感-存-算一體的新方法。如下圖所示，該團(tuán)隊一方面利用固定的鐵電極化等效為非易失柵極電場對二維材料溝道進(jìn)行電學(xué)摻雜，從而構(gòu)建PN結(jié)、結(jié)型晶體管（BJT）等器件，用于構(gòu)建外圍電路；另一方面，鐵電疇的極化翻轉(zhuǎn)調(diào)制能夠改變BJT的結(jié)區(qū)內(nèi)建勢壘，用于構(gòu)建非易失存儲器，并提升高低阻值比，以實現(xiàn)存內(nèi)計算。
圖源：華中科技大學(xué)信息存儲材料及器件研究所網(wǎng)站
從當(dāng)前的研究成果來看，“感存算一體化”主要是壓力感存算一體、光學(xué)感存算一體、氣體感存算一體三大類。從目前的應(yīng)用方向來看，“感存算一體化”主要是實現(xiàn)更高效的機(jī)器視覺和類腦計算。華南先進(jìn)光電子研究院樊貞團(tuán)隊的研究就是為了解決傳統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)在傳感、內(nèi)存和處理單元之間的反復(fù)搬運(yùn)，導(dǎo)致高能耗和高延遲，難以滿足無人駕駛等場景中海量視覺信息實時處理的需求；武漢光電國家研究中心、光學(xué)與電子信息學(xué)院繆向水教授、葉鐳副教授團(tuán)隊則是創(chuàng)新性地提出了一種同質(zhì)晶體管-存儲器架構(gòu)和新型類腦神經(jīng)形態(tài)硬件。
在企業(yè)方面，目前公開透露有相關(guān)研究的企業(yè)，一個是中電海康，另一個是九天睿芯。2020年，在長三角一體化發(fā)展重大合作事項簽約儀式上，長三角物聯(lián)網(wǎng)“感存算一體化”合作落地，中電?？底鳛榭偛吭O(shè)在杭州的國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)龍頭企業(yè)，建設(shè)“感存算一體化”超級中試中心。
九天睿芯目前已經(jīng)完成了感存算一體芯片的流片和驗證，落地有望。2021年9月，相關(guān)報道指出，九天睿芯全球首款可廣泛應(yīng)用于視覺領(lǐng)域的感存算一體新型架構(gòu)計算芯片ADA20X已流片成功并完成性能驗證。
根據(jù)九天睿芯官網(wǎng)介紹，ADA20X是一款可應(yīng)用于多種視覺場景的模數(shù)混合AI視覺芯片，能效比高達(dá)20Tops/W，可以同時支持高精度的圖像及高時間分辨率的事件處理。九天睿芯介紹稱，ADA20X具有高度可定制性，可以依據(jù)不同的市場需求，定制不同算力及接口的專用芯片，算力覆蓋從0.3Tops-200Tops，可以滿足平板電腦、可穿戴、智能家居、AR/VR、電池供電IPC、ADAS等多種不同應(yīng)用場景。
當(dāng)前，在我國“十四五”國家重點研發(fā)計劃“信息光子技術(shù)”重點專項中，感存算一體光電融合芯片技術(shù)被列入其中，再加上長三角“感存算一體化”聯(lián)盟的推動，未來“感存算一體化”芯片大有可為，尤其是在機(jī)器視覺和類腦計算領(lǐng)域。
