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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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阻變存儲(chǔ)器存算一體芯片研究取得進(jìn)展

2025-08-19 微電子研究所

【字體：大中小】

語音播報(bào)

邊緣端人工智能（AI）硬件憑借其低延遲、高能效和強(qiáng)隱私性等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。在功耗嚴(yán)格受限的邊緣端部署AI硬件，不僅需要高能效以滿足功耗約束，還需要高并行度以提升實(shí)時(shí)性能。基于阻變存儲(chǔ)器（RRAM）的存算一體和近閾值計(jì)算作為兩種高效能計(jì)算范式，有望在實(shí)現(xiàn)高能效、高并行的AI硬件中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，受工藝波動(dòng)的影響，這兩種計(jì)算范式的規(guī)模與可擴(kuò)展性仍面臨挑戰(zhàn)。此外，如何有效結(jié)合這兩種范式以開發(fā)低功耗、高并行的AI硬件，目前仍缺乏深入研究。

針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院微電子研究所研究員竇春萌團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于近閾值計(jì)算的RRAM存算一體芯片。研究人員利用雙晶體管單阻變存儲(chǔ)器（2T1R）單元，將RRAM的阻變特性轉(zhuǎn)化為閾值電壓調(diào)控特性，提出RRAM-CMOS閾值電壓失配抵消技術(shù)，有效抑制了長期困擾兩種計(jì)算范式的工藝波動(dòng)問題。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型多比特乘累加運(yùn)算的需求，團(tuán)隊(duì)提出了基于電荷堆疊的新型電荷域計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種采樣、加權(quán)與量化一體化模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，顯著降低了外圍電路的功耗與面積開銷。團(tuán)隊(duì)在多核存算一體系統(tǒng)中引入了核間混合精度控制技術(shù)，通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，為每個(gè)計(jì)算核心配置優(yōu)化的累加與量化方法，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)級(jí)推理功耗的高效優(yōu)化。

基于上述設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成功流片驗(yàn)證了具有16個(gè)計(jì)算核心的近閾值RRAM存算一體芯片。該芯片可實(shí)現(xiàn)256通道累加的高并行模擬計(jì)算，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差低至2.4%，計(jì)算能效可達(dá)55.21至88.51 TOPS/W。該研究展示了高能效、高并行近閾值RRAM存算一體技術(shù)，為邊緣AI硬件的發(fā)展提供了新思路。

近期，相關(guān)研究成果以A near-threshold memristive computing-in-memory engine for edge intelligence為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

論文鏈接

（a）芯片顯微照片、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和近閾值計(jì)算方案；（b）RRAM-CMOS閾值電壓失配抵消技術(shù)；（c）采樣、加權(quán)與量化一體化模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；（d）核間混合精度控制技術(shù)

邊緣端人工智能（AI）硬件憑借其低延遲、高能效和強(qiáng)隱私性等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。在功耗嚴(yán)格受限的邊緣端部署AI硬件，不僅需要高能效以滿足功耗約束，還需要高并行度以提升實(shí)時(shí)性能?；谧枳兇鎯?chǔ)器（RRAM）的存算一體和近閾值計(jì)算作為兩種高效能計(jì)算范式，有望在實(shí)現(xiàn)高能效、高并行的AI硬件中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，受工藝波動(dòng)的影響，這兩種計(jì)算范式的規(guī)模與可擴(kuò)展性仍面臨挑戰(zhàn)。此外，如何有效結(jié)合這兩種范式以開發(fā)低功耗、高并行的AI硬件，目前仍缺乏深入研究。針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院微電子研究所研究員竇春萌團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于近閾值計(jì)算的RRAM存算一體芯片。研究人員利用雙晶體管單阻變存儲(chǔ)器（2T1R）單元，將RRAM的阻變特性轉(zhuǎn)化為閾值電壓調(diào)控特性，提出RRAM-CMOS閾值電壓失配抵消技術(shù)，有效抑制了長期困擾兩種計(jì)算范式的工藝波動(dòng)問題。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型多比特乘累加運(yùn)算的需求，團(tuán)隊(duì)提出了基于電荷堆疊的新型電荷域計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種采樣、加權(quán)與量化一體化模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，顯著降低了外圍電路的功耗與面積開銷。團(tuán)隊(duì)在多核存算一體系統(tǒng)中引入了核間混合精度控制技術(shù)，通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，為每個(gè)計(jì)算核心配置優(yōu)化的累加與量化方法，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)級(jí)推理功耗的高效優(yōu)化?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成功流片驗(yàn)證了具有16個(gè)計(jì)算核心的近閾值RRAM存算一體芯片。該芯片可實(shí)現(xiàn)256通道累加的高并行模擬計(jì)算，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差低至2.4%，計(jì)算能效可達(dá)55.21至88.51 TOPS/W。該研究展示了高能效、高并行近閾值RRAM存算一體技術(shù)，為邊緣AI硬件的發(fā)展提供了新思路。近期，相關(guān)研究成果以A near-threshold memristive computing-in-memory engine for edge intelligence為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。論文鏈接（a）芯片顯微照片、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和近閾值計(jì)算方案；（b）RRAM-CMOS閾值電壓失配抵消技術(shù)；（c）采樣、加權(quán)與量化一體化模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；（d）核間混合精度控制技術(shù)

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