忆阻器
忆阻器,是一种与传统晶体管芯片截然不同的全新芯片概念。早在 30 年前,加州大学伯克利分校教授蔡少棠预测,除了电阻、电容、电感之外,理论上还应存在第四种基本电路元件,该元件可直接将电荷量与磁通量两个物理量连接起来,这便是忆阻器概念的雏形。
作为一种被动电子元件,忆阻器除了能让一定的电流安全通过,还可在断电后“记住”器件之前的电阻值,因此它最初只被当成存储器来研究。
吴华强回忆称:“当时,存储器行业的发展遇到了一些瓶颈,急需新兴技术打破僵局。阻变存储器或者说忆阻器就是其中很重要的一项新兴技术。”
而忆阻器也有很多存储优点:比如尺寸小、速度快、低功耗、与 CMOS(互补式金氧半导体)工艺可兼容等。
此外,忆阻器还拥有另一项特殊功能:能在存储数据“原地”实现计算。通常来说,基于传统“冯·诺依曼结构”搭建的计算机,其数据的存储和运算是分开的,平时数据存储在储存器中,需要运算时再把它搬运到运算器里。
然而,AI 类应用需要对大量数据进行矩阵运算,其核心是乘法和加法。对此,吴华强评价称:“目前 CMOS 芯片做大规模矩阵运算的乘加,算力是比较吃紧的,面临着很大挑战。”
此前,华为创始人任正非曾表示,未来的边缘计算是存算一体的,要么把 CPU 做到存储器,要么把存储器做到 CPU 里,这样才能加快计算速度。而在吴华强看来,基于忆阻器的存算一体,正是上述概念的一种实现。
具体来说,如果用交叉阵列的方式做忆阻器,就可获得一种与矩阵很类似的结构,这种结构既可以存数据,也可以做计算。
需要存储时,忆阻器本身就是存储器;而需要运算时,也无需把数据从存储器中搬到运算器里,因为忆阻器可直接用欧姆定律来做乘法运算。
前面提到,缓解“算力焦虑”需要全新的计算器件、范式和架构。而忆阻器正是这种新趋势的器件代表。
而在忆阻器件上用物理定律来直接做乘法计算和加法计算的方式,也和过去利用与非门做布尔逻辑计算的方法很不一样。
因此,忆阻器可以解决信息科学、尤其是集成电路领域里面的一些核心的问题。这也成为吴华强一直坚持深耕该领域的原因。在 AMD 时,他就投身于忆阻器方面的研究工作,这项工作得以在清华延续,并最终打造出一支优秀团队。