在一項新的 Nature Communications 研究中，研究人員開發(fā)了一種內(nèi)存鐵電微分器，能夠直接在內(nèi)存中執(zhí)行計算，而無需單獨的處理器。

擬議的差異化因素承諾能源效率，尤其是對于智能手機、自動駕駛汽車和安全攝像頭等邊緣設(shè)備。

圖像處理和運動檢測等任務(wù)的傳統(tǒng)方法涉及多步驟的能源密集型流程。這從記錄數(shù)據(jù)開始，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)酱鎯卧?，存儲單元進一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鲉卧詧?zhí)行差分作。

由于差分運算是多項計算任務(wù)的基礎(chǔ)，研究人員利用鐵電材料的特性來制造他們的設(shè)備。

Tech Xplore 與共同作者來自華東師范大學(xué)的 Bobo Tian 教授和 Chungang Duan 教授進行了交談?！拔覀円恢敝铝τ谘芯渴褂描F電材料的類腦器件大約十年。由于鐵電材料具有非易失性極化，因此通常用于存儲和新興的內(nèi)存計算。

馮·諾依曼瓶頸

現(xiàn)代計算的基礎(chǔ)在于 von Neumann 架構(gòu)。在此類系統(tǒng)中，內(nèi)存和處理單元是分開的，這使得它們的效率非常低。

處理單元和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致延遲，并且需要大量能源。這被稱為馮·諾依曼瓶頸，是現(xiàn)代計算架構(gòu)中更緊迫的問題之一。

此外，對于某些任務(wù)（如圖像和視頻處理），內(nèi)存要求過高，因為執(zhí)行作需要當(dāng)前幀和前一幀。

研究人員通過利用鐵電材料的動態(tài)行為來解決這些問題。

鐵電電容器

當(dāng)不施加外部電場時，鐵電材料具有固有的極化，這在施加電場時可以反轉(zhuǎn)。

由于這種動態(tài)行為，鐵電材料可以在其偶極子的極化或?qū)R中存儲和保留信息。這被稱為域切換，域是指材料中具有特定極化的區(qū)域。

“在鐵電域切換過程中，會發(fā)出可測量的電流信號，因為鐵電切換本質(zhì)上是偶極子極性的變化，這必須產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象在其他非揮發(fā)性材料中很少見，因為參數(shù)變化只能通過后續(xù)的讀取作來檢測，“段教授解釋說。

因此，研究人員決定使用鐵電電容器作為他們的差異化器件。電容器本身會根據(jù)電荷的存儲方式對隨時間的變化進行建模，使其成為差分作的理想選擇。

此外，電容器存儲和釋放電荷的方式模擬了存儲器。電容器會記住它在放電之前保持了多少電荷，這轉(zhuǎn)化為信息存儲為電容器兩端的電壓電平。

這種器件被稱為鐵電 RAM 或 FeRAM。它像閃存一樣是非易失性的，這意味著即使電源以極化的形式關(guān)閉，該器件也會記住信息。

邊緣設(shè)備的未來

研究人員構(gòu)建了一個由 1,600 個鐵電聚合物電容器組成的 40x40 無源交叉開關(guān)陣列。這意味著該設(shè)備沒有任何其他有源元件，如晶體管。

電容器可以直接執(zhí)行計算，在單個設(shè)備中用作 RAM 和 CPU，無需數(shù)據(jù)傳輸。

“有趣的是，鐵電電容器內(nèi)的域開關(guān)可以在電路中產(chǎn)生宏觀可檢測的電流。當(dāng)鐵電疇方向被編碼以存儲信息時，疇切換會提供原位差分信息，“田教授說。

這意味著研究人員使用電流作為信號，直接指示連續(xù)輸入之間的變化。從本質(zhì)上講，該設(shè)備可以識別 inputs 之間的差異，而無需額外的計算，同時還可以將新數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。

研究人員通過在視頻處理中進行高效的運動檢測和計算一階和二階導(dǎo)數(shù)來證明這種能力。

內(nèi)存中的鐵電微分器展示了能源效率，當(dāng)在 1 MHz（兆赫茲）頻率下運行時，每次差分計算消耗約 0.24 飛焦耳 （fJ）。

據(jù)研究人員稱，他們的設(shè)備比目前的 CPU 和 GPU（尤其是 Intel 12900 和 NVIDIA V100）的效率高出 5 到 6 個數(shù)量級。

由于效率高，這些設(shè)備非常適合邊緣計算應(yīng)用，例如視頻和圖像處理，以及用于實時處理 ECG/EEG 數(shù)據(jù)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

該技術(shù)的可擴展性似乎也很有希望。

段教授解釋說：“由于硅相容的鐵電材料，如鉿基或氮化鋁基鐵電材料，沒有縮放限制，允許大規(guī)模生產(chǎn)能夠執(zhí)行復(fù)雜差分計算的鐵電陣列 （>1Gbit）。

研究人員解釋說，他們的長期愿景是從數(shù)據(jù)處理過渡到邊緣的物理定律計算，其中鐵電陣列本身可以解決控制現(xiàn)實世界現(xiàn)象的微分方程。

演示如何使用鐵電域切換來執(zhí)行差分計算。圖片來源：田波波教授