類腦計(jì)算：從材料到系統(tǒng)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
隨著人工智能和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)計(jì)算能力和能源效率的需求顯著增加。傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)因馮·諾依曼瓶頸和摩爾定律放緩面臨基本限制。借鑒大腦計(jì)算原理的類腦計(jì)算為解決這些挑戰(zhàn)提供了新的方案[1]。
' k% L! X" k8 @6 m" G

2 f* v( X, Z0 N5 j& J: X
圖1：(a)展示了人工智能模型對(duì)計(jì)算能力需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；(b)顯示了訓(xùn)練人工智能模型成本的上升趨勢(shì)，說(shuō)明需要更高效的計(jì)算范式。
7 J% l& i) C( g* g
類腦計(jì)算方法
0 \1 f. A8 e. e% U類腦計(jì)算通過(guò)各種硬件實(shí)現(xiàn)方式復(fù)制生物神經(jīng)系統(tǒng)的特定功能。這些系統(tǒng)可以并行處理信息，將存儲(chǔ)與計(jì)算集成，并采用基于脈沖的信號(hào)操作。這種方法在能源效率和實(shí)時(shí)處理能力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
/ b$ @4 \  T. c: I- v5 Z
2 o* n; w) @" h$ z0 J1 `圖2：展示了(a)漏積分發(fā)放神經(jīng)元示意圖，顯示三個(gè)前神經(jīng)元與后神經(jīng)元的連接；(b)后神經(jīng)元的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性，說(shuō)明類腦計(jì)算的基本原理。

3 O0 m; f, P6 e4 _6 C$ n" u材料與技術(shù)
) h0 l: k& W2 F  x' O. C類腦計(jì)算實(shí)現(xiàn)涉及多種材料系統(tǒng)和器件技術(shù)，從傳統(tǒng)CMOS到新興技術(shù)，如阻變存儲(chǔ)器、相變材料和磁性器件等。
. |: M: N# u9 \8 \( e
$ A$ V0 f; e  |+ p圖3：展示了(a)三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器示意圖；(b)模擬內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；(c)六晶體管雙存儲(chǔ)器模擬內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器線路設(shè)計(jì)；(d)決策樹示例；(e)存儲(chǔ)器計(jì)算映射方案，展示了類腦系統(tǒng)的各種硬件實(shí)現(xiàn)方法。

2 f$ ?, p7 u. E! h) t: `- `. u5 a$ @實(shí)現(xiàn)策略
類腦計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用多種架構(gòu)方法，包括用于矩陣運(yùn)算的交叉陣列、用于時(shí)間處理的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合模擬-數(shù)字設(shè)計(jì)。

; _. `2 V. y8 }: Z" @& h圖4：展示了不同的模擬矩陣計(jì)算線路：(a)矩陣向量乘法；(b)矩陣求逆；(c)廣義左逆；(d)廣義右逆；(e)特征向量計(jì)算，展示了各種計(jì)算功能。
2 @0 U4 W& G; {' b7 ?$ P8 S3 W
新興器件概念
研究人員正在探索新型器件概念以增強(qiáng)類腦系統(tǒng)的性能。這包括憶阻器件、相變存儲(chǔ)器和自旋電子器件，每種器件都在特定應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

" W$ S# O- u, U0 l9 m, H- k9 R圖5：說(shuō)明了類腦計(jì)算的主要材料挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了新型非易失性存儲(chǔ)器在可擴(kuò)展性、速度、可靠性和模擬操作能力方面的要求。

發(fā)展方向
; y! ?8 w3 M0 b" @+ w類腦計(jì)算領(lǐng)域正在快速發(fā)展，新的材料、器件和架構(gòu)概念不斷涌現(xiàn)。這些不同技術(shù)和方法的整合對(duì)于實(shí)現(xiàn)能解決實(shí)際應(yīng)用問題的類腦系統(tǒng)極為重要。
! ^8 e+ N. ~6 K: w6 E& j% p: }4 c
圖6：展示了(a)矩陣-矩陣-向量乘法和(b)稀疏近似問題求解的模擬矩陣計(jì)算線路，展示了類腦系統(tǒng)的高級(jí)計(jì)算能力。
4 R# P& o6 o8 c0 F7 K
跨學(xué)科領(lǐng)域需要在材料科學(xué)、器件物理、線路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)方面持續(xù)創(chuàng)新。隨著技術(shù)的成熟，類腦計(jì)算系統(tǒng)將在未來(lái)計(jì)算應(yīng)用中發(fā)揮更大作用，特別是在需要高能效和實(shí)時(shí)處理的邊緣計(jì)算和人工智能應(yīng)用中。
- j1 u. U4 X7 v+ b! u" d
參考文獻(xiàn)
[1] A. Mehonic et al., "Roadmap to neuromorphic computing with emerging technologies," [Review Article] APL Mater., vol. 12, no. 1, p. 109201, Oct. 2024, doi: 10.1063/5.0179424.
6 e* N  ^! T/ s6 B1 W+ z% v
1 g1 W4 }' L3 Q# n2 i4 I+ dEND


4 ?; q& |% N! b8 `軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

) B- q: F! Z! K9 [, S3 N  c

& y, E/ g% B! z. |7 C2 e

關(guān)注我們
7 ^- t  ?8 {9 X) \& T7 ]" d& ?

1 e) S7 h. j0 c/ f: W0 d) U; H

7 C( ~5 A7 K' c, B" s 1 u* D( y/ Z: a, U( f& A8 [  ?

$ q& _" K2 q8 [7 |2 }

                     

, H. ]' J; [$ j

關(guān)于我們：
4 l# t  M& t8 v" ?2 D0 b0 k/ ]深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

  H. ~7 U) R' f3 y, w& m3 K% s6 z$ Ihttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）