在鐵電RAM內存中執行計算

在一項新的 Nature Communications 研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種內存鐵電微分器，能夠直接在內存中執行計算，而無(wú)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(dòng)駕駛汽車(chē)和安全攝像頭等邊緣設備。

圖像處理和運動(dòng)檢測等任務(wù)的傳統方法涉及多步驟的能源密集型流程。這從記錄數據開(kāi)始，這些數據被傳輸到存儲單元，存儲單元進(jìn)一步將數據傳輸到微控制器單元以執行差分作。

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

Tech Xplore 與共同作者來(lái)自華東師范大學(xué)的 Bobo Tian 教授和 Chungang Duan 教授進(jìn)行了交談?！拔覀円恢敝铝τ谘芯渴褂描F電材料的類(lèi)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存計算。

馮·諾依曼瓶頸

現代計算的基礎在于 von Neumann 架構。在此類(lèi)系統中，內存和處理單元是分開(kāi)的，這使得它們的效率非常低。

處理單元和內存之間的數據傳輸會(huì )導致延遲，并且需要大量能源。這被稱(chēng)為馮·諾依曼瓶頸，是現代計算架構中更緊迫的問(wèn)題之一。

此外，對于某些任務(wù)（如圖像和視頻處理），內存要求過(guò)高，因為執行作需要當前幀和前一幀。

研究人員通過(guò)利用鐵電材料的動(dòng)態(tài)行為來(lái)解決這些問(wèn)題。

鐵電電容器

當不施加外部電場(chǎng)時(shí)，鐵電材料具有固有的極化，這在施加電場(chǎng)時(shí)可以反轉。

由于這種動(dòng)態(tài)行為，鐵電材料可以在其偶極子的極化或對齊中存儲和保留信息。這被稱(chēng)為域切換，域是指材料中具有特定極化的區域。

“在鐵電域切換過(guò)程中，會(huì )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。這種現象在其他非揮發(fā)性材料中很少見(jiàn)，因為參數變化只能通過(guò)后續的讀取作來(lái)檢測，“段教授解釋說(shuō)。

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(huì )根據電荷的存儲方式對隨時(shí)間的變化進(jìn)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(huì )記住它在放電之前保持了多少電荷，這轉化為信息存儲為電容器兩端的電壓電平。

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

邊緣設備的未來(lái)

研究人員構建了一個(gè)由 1,600 個(gè)鐵電聚合物電容器組成的 40x40 無(wú)源交叉開(kāi)關(guān)陣列。這意味著(zhù)該設備沒(méi)有任何其他有源元件，如晶體管。

電容器可以直接執行計算，在單個(gè)設備中用作 RAM 和 CPU，無(wú)需數據傳輸。

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

這意味著(zhù)研究人員使用電流作為信號，直接指示連續輸入之間的變化。從本質(zhì)上講，該設備可以識別 inputs 之間的差異，而無(wú)需額外的計算，同時(shí)還可以將新數據寫(xiě)入內存。

研究人員通過(guò)在視頻處理中進(jìn)行高效的運動(dòng)檢測和計算一階和二階導數來(lái)證明這種能力。

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

據研究人員稱(chēng)，他們的設備比目前的 CPU 和 GPU（尤其是 Intel 12900 和 NVIDIA V100）的效率高出 5 到 6 個(gè)數量級。

由于效率高，這些設備非常適合邊緣計算應用，例如視頻和圖像處理，以及用于實(shí)時(shí)處理 ECG/EEG 數據的生物醫學(xué)設備。

該技術(shù)的可擴展性似乎也很有希望。

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

研究人員解釋說(shuō)，他們的長(cháng)期愿景是從數據處理過(guò)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實(shí)世界現象的微分方程。

演示如何使用鐵電域切換來(lái)執行差分計算。圖片來(lái)源：田波波教授