世界初のメモリスタチップ、清華大学チームはどんな画期的な成果を上げたのでしょうか?

人工知能技術の発展の波は人類の生産と生活様式を大きく変え、現在の人類文明のあらゆる分野に大きな影響を与えており、今後も大きな影響を与え続けるでしょう。

しかし、人工知能技術は大規模な計算能力のサポートに依存しています。技術の爆発的な発展に伴い、大規模な計算能力に対する需要も高まっています。しかし、既存のコンピューティング能力の不足とコンピューティング能力に対する膨大な需要の間には、ますます顕著な矛盾が生じています。計算能力の物質的担い手であるチップは、早急に克服しなければならない課題に直面しています。高計算能力と高効率チップの開発を加速し、巨大な計算能力のギャップを解決し、計算能力の大幅な向上を実現する方法は、現在のハードウェア技術で解決する必要がある緊急の問題です。これは、人工知能技術の発展速度を阻害している根本的な問題でもあります。

最近、清華大学集積回路学院の呉華強教授と高斌准教授のチームは、メモリコンピューティングインワンコンピューティングパラダイムに基づいて、効率的なオンチップ学習（機械学習をハードウェア側で直接完了できる）をサポートする世界初の完全に統合されたメモリスタメモリコンピューティングチップを開発しました。これにより、オンチップ学習をサポートするメモリスタメモリコンピューティングチップの分野で大きな進歩が遂げられ、人工知能、自動運転、ウェアラブルデバイスなどの分野の発展が促進されると期待されています。関連する結果は、「完全に統合されたニューロにヒントを得たメモリスタ チップを使用したエッジ ラーニング」というタイトルで、Science の最新号にオンラインで公開されました。

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メモリスタチップとは何ですか?メモリスタは、抵抗器、コンデンサ、インダクタに続く第 4 の基本回路素子であると言われています。

メモリスタ チップが発明される前の従来のチップは、メモリとプロセッサを分離し、データ バスを介して接続するフォン ノイマン モデルに基づいており、プロセッサとメモリの間でデータをやり取りする必要がありました。ストレージとコンピューティングの分離によってもたらされる高いエネルギー消費と高いレイテンシ、低いプライバシーとセキュリティ、低い適応性と低い堅牢性は、コンピューティング能力の向上を制限する大きな課題となっています。

これらの問題と課題を解決するために、ストレージコンピューティング統合コンピューティングパラダイムという新しいコンピューティングパラダイムが提案されました。ストレージコンピューティング統合コンピューティングパラダイムとは、メモリとプロセッサを 1 つのチップに統合し、メモリ自体の物理的特性を使用して計算を実行することを指します。これにより、従来のコンピューティング アーキテクチャ パラダイムの欠点が解決されます。

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統合ストレージとコンピューティングのパラダイムの鍵となるのは、メモリ自体にコンピューティング機能があることです。これを実現するために、メモリスタという新しいタイプのメモリデバイスが発明されました。メモリスタは、人間の脳のニューロンのような記憶機能を持つ抵抗器です。電源が切断された後でも、以前に通過した電荷を「記憶」することができます。これはエレクトロニクスにおける大きな進歩であり、データストレージ、コンピューティング、暗号化、通信において大きな可能性を示しています。

2012年以来、清華大学のQian He、Wu Huaqiang、Gao Binのチームは、メモリスタデバイスとプロトタイプチップの研究開発から始め、徐々にシステム統合とコンピューティング理論へと発展してきました。彼らは、効率的なオンチップ学習をサポートする世界初の完全に統合されたメモリスタストレージとコンピューティングチップを開発しました。学習関連の計算はすべてこのチップ上で完了します。

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ハードウェア テストの結果は、チップに完全なオンチップ学習をサポートするために必要なすべての回路モジュールが含まれていることを示しています。画像分類、音声認識、制御タスクを含む複数のオンチップ学習タスクにおいて、チップのエネルギー消費量は、高度な技術を使用する特定用途向け集積回路 (ASIC) システムのわずか 3% です。エネルギー効率は75倍向上し、ユーザーのプライバシーとデータを効果的に保護できると期待されています。高い適応性、高いエネルギー効率、高い汎用性、高精度という特性を備えており、人工知能時代の高いコンピューティング能力の要件を満たす大きな応用可能性を秘めています。

参考文献

[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3483

企画・制作

この記事は科学普及中国-星空プロジェクトの作品です

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作｜中国科学技術出版有限公司、北京中科星和文化メディア有限公司

著者: 曽新月、ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨黄永光 中国科学院半導体研究所オプトエレクトロニクスチップ研究員

編集者: Zhong Yanping と Qi Yuan (インターン)