近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院的高濱副教授課題組在《自然?通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表了題為“Memristor-Based Analogue Computing for Brain-Inspired Sound Localization with in situ training”的研究論文，提出了一種基于存算一體技術(shù)的類(lèi)腦聲音定位方法。面向定位任務(wù)的計(jì)算需求，提出了多閾值更新策略，緩解了憶阻器非理想因素帶來(lái)的精度損失。在集成規(guī)模為1K的憶阻器陣列中，課題組成功演示了聲音定位的在線訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的能耗降低。
圖1 類(lèi)腦存算一體聲音定位示意圖
對(duì)生物大腦定位能力的模仿，常被應(yīng)用于車(chē)輛檢測(cè)、虛擬聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)等場(chǎng)景。隨著摩爾定律逐漸放緩，傳統(tǒng)硬件平臺(tái)難以滿足實(shí)時(shí)定位場(chǎng)景中不斷增長(zhǎng)的算力需求。近年來(lái)備受關(guān)注的存算一體類(lèi)腦計(jì)算技術(shù)，能夠大幅度減少數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與計(jì)算單元之間的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，有望突破存儲(chǔ)墻瓶頸的限制，實(shí)現(xiàn)算力的大幅提升。然而，與分類(lèi)任務(wù)不同，定位任務(wù)的輸入信息和檢測(cè)位置均為連續(xù)值，對(duì)計(jì)算硬件平臺(tái)自身非理想因素的容忍度較低。迄今為止，如何高效實(shí)現(xiàn)聲音定位一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院的高濱副教授課題組利用憶阻器的連續(xù)電導(dǎo)調(diào)制特性，構(gòu)建了一種基于憶阻器陣列的新型類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于聲音定位任務(wù)：網(wǎng)絡(luò)包含60個(gè)輸入神經(jīng)元和7個(gè)輸出神經(jīng)元，輸入、輸出信息分別為雙耳接收的聲波信號(hào)和范圍在-90度到90度之間的方位角，所有輸出層神經(jīng)元共同決定了預(yù)測(cè)角度。
圖2 受大腦機(jī)制啟發(fā)，基于憶阻器陣列的聲音定位網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)方案
傳統(tǒng)的憶阻器編程策略雖然能夠大幅度降低在線訓(xùn)練的硬件開(kāi)銷(xiāo)，但是難以滿足定位任務(wù)的精度需求。為克服這一問(wèn)題，課題組提出了一種容忍憶阻器離散性的多閾值更新策略。在權(quán)重更新過(guò)程中，引入了多個(gè)判斷閾值，根據(jù)權(quán)重更新值所處的區(qū)間，施加對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的操作脈沖。分析結(jié)果顯示，多閾值更新策略實(shí)現(xiàn)了聲音網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度和硬件開(kāi)銷(xiāo)之間的平衡。
圖3 兼顧憶阻器特性與硬件開(kāi)銷(xiāo)的多閾值更新策略
課題組在1K規(guī)模的TiN/TaOy/HfOx/TiN憶阻器陣列中，針對(duì)CIPIC HRTF數(shù)據(jù)集樣本，成功演示了聲音定位任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)訓(xùn)練方案，采用多閾值更新策略后的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)精度提升了大約45.7%。此外，與先前CMOS ASIC方案的對(duì)比結(jié)果顯示，該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)較高定位精度的同時(shí)，展現(xiàn)出184倍的能耗優(yōu)勢(shì)。本工作為實(shí)現(xiàn)低能耗、高性能的類(lèi)腦定位系統(tǒng)提供了新的解決方案。
圖4 基于憶阻器陣列的聲音定位功能演示與硬件評(píng)估結(jié)果
近期，該項(xiàng)工作的相關(guān)研究成果以“Memristor-Based Analogue Computing for Brain-Inspired Sound Localization with in situ training”為題在《自然?通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表。清華大學(xué)集成電路學(xué)院高濱副教授、吳華強(qiáng)教授是本論文的共同通訊作者，周穎、高濱和張清天為共同第一作者。該研究得到了科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委杰青項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目的支持。
高濱副教授在基于憶阻器的類(lèi)腦計(jì)算領(lǐng)域開(kāi)展了多年的研究，受邀在Nature Electronics、Nature Communications、Proceedings of the IEEE等期刊撰寫(xiě)類(lèi)腦芯片相關(guān)綜述，在ASP-DAC、A-SSCC等會(huì)議做特邀報(bào)告，在IEDM、EDTM等旗艦會(huì)議擔(dān)任模型分委會(huì)主席。
