清華新聞網(wǎng)5月17日電 清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)提出將元胞自動(dòng)機(jī)算法集成至二維晶體管和憶阻器混合電路，并基于此架構(gòu)提出了基于該電路的儲(chǔ)備池計(jì)算功能。
圖1.傳統(tǒng)存內(nèi)計(jì)算的交叉方案與本研究的循環(huán)邏輯運(yùn)算方案對(duì)比
元胞自動(dòng)機(jī)是一種用于研究復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的有效手段，是作為馮·諾依曼提出的一種普遍存在且大規(guī)模并行的計(jì)算模型。元胞自動(dòng)機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的主要方法包括超大規(guī)模集成電路（VLSI）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。VLSI的電路配置固定，限制了轉(zhuǎn)換不同元胞自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則的靈活性，而FPGA則允許電路重配置，但它導(dǎo)致了更高的硬件成本。因此，元胞自動(dòng)機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)需要新設(shè)計(jì)以確保低成本和高靈活性。近年來(lái)，憶阻器電路以其低成本且高性能的特性，成為實(shí)現(xiàn)內(nèi)存計(jì)算的理想解決方案。憶阻器陣列的基本操作主要是矩陣乘累加計(jì)算或邏輯運(yùn)算，而元胞自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換規(guī)則可以轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的布爾函數(shù)，這為憶阻器電路實(shí)現(xiàn)元胞自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則提供了良好平臺(tái)。
本研究將憶阻器和二維材料晶體管相結(jié)合完成電路設(shè)計(jì)，提出了一種循環(huán)邏輯運(yùn)算方案，從而硬件實(shí)現(xiàn)了元胞自動(dòng)機(jī)算法。方案里結(jié)合了憶阻器的存儲(chǔ)和計(jì)算功能，在憶阻器內(nèi)部循環(huán)傳輸，最大限度地降低了硬件代價(jià)。研究中完成了基礎(chǔ)元胞自動(dòng)機(jī)110號(hào)的功能演示。通過(guò)把元胞自動(dòng)機(jī)的傳遞規(guī)則分解到憶阻器的存內(nèi)運(yùn)算的方式，進(jìn)行迭代更新。
研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)在循環(huán)邏輯運(yùn)算方案中驗(yàn)證了元胞自動(dòng)機(jī)的多數(shù)分類(lèi)算法和邊緣檢測(cè)算法。尤其對(duì)于邊緣檢測(cè)算法而言，基于元胞自動(dòng)機(jī)的循環(huán)邏輯運(yùn)算方案與FPGA實(shí)現(xiàn)相比，硬件成本可最高降低79倍。另外，該研究還提出了基于循環(huán)邏輯運(yùn)算方案的存儲(chǔ)庫(kù)計(jì)算方法，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程，進(jìn)一步結(jié)合多層憶阻器陣列，可以最大限度降低儲(chǔ)備池計(jì)算中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)消耗。該研究為憶阻器的后續(xù)應(yīng)用探索了新的可能性，指出了可以通過(guò)憶阻器陣列低硬件代價(jià)的實(shí)現(xiàn)元胞自動(dòng)機(jī)算法，在邊緣檢測(cè)計(jì)算等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖2.完成了基本元胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則110功能的演示
圖3.圖像邊緣檢測(cè)算法的循環(huán)邏輯運(yùn)算方案實(shí)現(xiàn)以及硬件開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比
圖4. 基于循環(huán)邏輯運(yùn)算方案的存儲(chǔ)庫(kù)計(jì)算方法
相關(guān)成果以“基于元胞自動(dòng)機(jī)的嵌入式憶阻器再循環(huán)邏輯內(nèi)存計(jì)算”（Cellular automata imbedded memristor-based recirculated logic in-memory computing）為題，于5月10日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
論文通訊作者為清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授和田禾副教授，清華大學(xué)集成電路學(xué)院2021級(jí)博士生劉晏銘、田禾副教授、2018級(jí)博士生吳凡為共同第一作者，其他參加研究的作者包括清華大學(xué)集成電路學(xué)院2022級(jí)博士生劉安晗、2020級(jí)未央書(shū)院本科生李奕好、2019級(jí)集成電路學(xué)院本科生孫昊和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）物理科學(xué)與工程系馬里奧?蘭扎（Mario Lanza）教授。
任天令教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料器件技術(shù)研究，從材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等頂級(jí)期刊以及國(guó)際電子器件會(huì)議 （IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表多篇論文。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38299-7
供稿：集成電路學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
