當(dāng)人工智能芯片變得像“創(chuàng)可貼”一樣，可隨意彎折并柔軟貼合身體，那將帶來(lái)怎樣的應(yīng)用前景？清華大學(xué)聯(lián)合北京大學(xué)等合作單位開(kāi)發(fā)出一種柔性數(shù)字存內(nèi)計(jì)算芯片F(xiàn)LEXI，是一款高性能柔性存算芯片。該芯片兼具輕薄、低成本和高能效等優(yōu)勢(shì)，最多可集成約26.5萬(wàn)個(gè)晶體管，在單一柔性基片上實(shí)現(xiàn)了SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)、計(jì)算單元和外圍電路的高度集成，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(chǎng)景中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。這項(xiàng)重要成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
柔性電子器件因其超薄、輕質(zhì)、可貼合、可定制及低成本等優(yōu)勢(shì)，正加速應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療、植入式神經(jīng)記錄、人機(jī)交互和物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。然而，隨著柔性多模態(tài)傳感與本地智能處理需求的快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)柔性硬件在算力密度、能效與可靠性方面已難以滿(mǎn)足高性能邊緣智能應(yīng)用的需求。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授任天令介紹，F(xiàn)LEXI采用模塊化、可擴(kuò)展的數(shù)字存算架構(gòu)，支持穩(wěn)定、高速、并行的點(diǎn)積運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于低溫多晶硅薄膜晶體管的柔性芯片，可在2.5至5.5伏電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并在半徑1毫米、180度彎折條件下經(jīng)受超過(guò)4萬(wàn)次彎折循環(huán)而性能無(wú)明顯退化。同時(shí)，F(xiàn)LEXI在長(zhǎng)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%至92%，并具備良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
為降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重反復(fù)寫(xiě)入帶來(lái)的能耗與時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)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。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些模型可在FLEXI芯片上高效處理心電信號(hào)、語(yǔ)音、圖像以及多模態(tài)生理信號(hào)等多種數(shù)據(jù)類(lèi)型并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
柔性芯片是否能像創(chuàng)可貼一樣貼在人體表面，用于健康監(jiān)測(cè)？研究人員之后將FLEXI用于日?；顒?dòng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)與識(shí)別，發(fā)現(xiàn)其在可穿戴健康監(jiān)測(cè)和多模態(tài)傳感器內(nèi)計(jì)算中具有應(yīng)用前景。他們采集了受試者在不同狀態(tài)下的心率、呼吸頻率、體溫等多模態(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)，并實(shí)現(xiàn)一次性片上部署。通過(guò)量化感知訓(xùn)練，該模型在測(cè)試集上實(shí)現(xiàn)了97.4%的分類(lèi)準(zhǔn)確率。
任天令說(shuō)，通過(guò)工藝-電路-算法協(xié)同優(yōu)化，F(xiàn)LEXI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(wú)誤差運(yùn)行，并展現(xiàn)出超過(guò)6個(gè)月的長(zhǎng)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。高性能、低功耗與優(yōu)異機(jī)械可靠性的結(jié)合，使該芯片有望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)。
編輯：邱收
