“中國(guó)造”AI 芯片再發(fā) Nature。芯片良率達(dá) 92.1%，反復(fù)彎折到 180 度，連續(xù)彎 4 萬(wàn)多次計(jì)算能力絲毫沒(méi)下降。連續(xù)進(jìn)行 100 億次乘法運(yùn)算，一個(gè)錯(cuò)誤都沒(méi)出現(xiàn)。通過(guò)了 ?40°C 至 80°C 的冷熱沖擊及高濕和光照老化，并在常規(guī)條件下長(zhǎng)期放置 6 個(gè)月以上，性能依然穩(wěn)定。芯片成本最低只有 0.016 美元，比一塊糖果還要便宜。

　　這便是清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊(duì)打造的一種名為 FLEXI 的超薄可彎曲 AI 芯片，它薄如蟬翼厚度只有大約 25 微米，輕得幾乎感覺(jué)不到，卻能像人腦一樣思考，也能處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)。它可以被反復(fù)折疊，卷曲 4 萬(wàn)多次而不會(huì)損壞，甚至可以縫進(jìn)衣服、貼在皮膚上，也能植入醫(yī)療設(shè)備之中成為我們身體的第二層智能皮膚。

　　FLEXI 芯片非常適合運(yùn)行 AI 任務(wù)，比如識(shí)別圖像、理解語(yǔ)音和分析心電圖等。因?yàn)檫@些任務(wù)本質(zhì)上就是做大量的乘法累加計(jì)算。同時(shí)，F(xiàn)LEXI 芯片可以一并運(yùn)行成千上萬(wàn)次這樣的運(yùn)算，真正做到又快又準(zhǔn)。

　　首次在柔性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)，真正面向 AI 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

　　談及芯片成本，論文第一作者、清華大學(xué)閆岸之博士告訴 DeepTech：“0.016 美元是一個(gè)基于批量生產(chǎn)估算的工程數(shù)據(jù)。柔性工藝本身的物料成本并不高。我們主要考慮的是非一次性成本，也就是大批量生產(chǎn)時(shí)的平均成本。這包括了每片面板的材料費(fèi)、沉積、光刻等工藝的設(shè)備分?jǐn)傎M(fèi)用等。像掩膜版這類(lèi)一次性投入，在量產(chǎn)規(guī)模下可以被攤薄到很低?！?/p>

　　目前，F(xiàn)LEXI 芯片已在健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中完成應(yīng)用驗(yàn)證。研究團(tuán)隊(duì)圍繞該芯片開(kāi)展多生理信號(hào)健康監(jiān)測(cè)研究，通過(guò)采集心率、呼吸、體溫和皮膚濕度等數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將模型部署至 FLEXI 芯片上，實(shí)現(xiàn)高能效的片上本地推理分析。

　　比如，它能在單次心跳中識(shí)別出心律不齊的跡象，準(zhǔn)確率高達(dá) 99.2%;也能判斷一個(gè)人是在靜坐、走路、跑步還是情緒緊張，準(zhǔn)確率超過(guò) 97.4%。這意味著未來(lái)我們可以擁有更智能、更貼身的健康助手，及時(shí)發(fā)現(xiàn)身體異常，甚至能夠預(yù)防疾病發(fā)生。

　　比如，未來(lái)你手上的健康手腕不僅能夠記錄心跳和步數(shù)，還可以實(shí)時(shí)分析心電圖，在心跳出現(xiàn)異常之前發(fā)出預(yù)警;你穿的衣服則有可能感知你的體溫、汗水和呼吸，隨后自動(dòng)地調(diào)節(jié)溫度，并能在你疲勞時(shí)提醒你休息。而這些，都有可能依賴(lài) FLEXI 這塊可彎曲的 AI 芯片加以實(shí)現(xiàn)。

　　談及能夠發(fā)在 Nature 的原因，閆岸之表示：“我認(rèn)為核心還是工作本身扎實(shí)且具有突破性。這一點(diǎn)從同期 Nature 新聞評(píng)論中也能看出，柔性電子領(lǐng)域的知名學(xué)者比利時(shí)魯汶大學(xué) Kris Myny 教授評(píng)價(jià)我們的工作填補(bǔ)了空白，是當(dāng)前最先進(jìn)的柔性平臺(tái)之一。在性能指標(biāo)上，無(wú)論是頻率、能效還是能量延遲積，我們都顯著超越了此前已報(bào)道的柔性芯片?！?/p>

　　他繼續(xù)說(shuō)道：“我們首次在柔性平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)，真正面向 AI 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。其次，我們是首個(gè)將時(shí)鐘頻率提升到 10MHz 以上的柔性芯片，而此前同類(lèi)芯片多在 1MHz 左右。此外，我們也是首個(gè)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)化機(jī)械與老化測(cè)試的柔性芯片研究，從可靠性角度建立了新的評(píng)估范式?！?/p>

　　打破傳統(tǒng)芯片思路，在內(nèi)存里直接做數(shù)學(xué)

　　傳統(tǒng)電腦或者手機(jī)芯片里的大腦分為兩部分：計(jì)算中心(CPU)和記憶倉(cāng)庫(kù)(內(nèi)存)。每次處理數(shù)據(jù)時(shí)，CPU 都要從內(nèi)存里搬運(yùn)數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)，算完再存回去，這個(gè)過(guò)程很慢很耗電，就好比每做一道數(shù)學(xué)題都要跑一趟圖書(shū)館查公式一樣。

　　FLEXI 芯片采用了一種名為存內(nèi)計(jì)算的新設(shè)計(jì)，能夠把計(jì)算單元直接建在記憶倉(cāng)庫(kù)里，讓數(shù)據(jù)在原地就能完成計(jì)算。這就等于把公式和計(jì)算器帶在身邊，不用來(lái)回跑圖書(shū)館，那自然就能飛快做題，而且還特別省電。

　　閆岸之表示，要為柔性設(shè)備賦予真正的智能，必須引入存內(nèi)計(jì)算這樣的高能效架構(gòu)。傳統(tǒng) CPU 的能效和算力難以支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，而數(shù)字存算結(jié)構(gòu)既能提供高并行計(jì)算能力，又具備良好的魯棒性，適合在機(jī)械應(yīng)力多變的環(huán)境中使用。

　　你可能以為芯片都是在硅晶圓上刻出來(lái)的硬邦邦的小方塊。但是，F(xiàn)LEXI 芯片使用一種名為低溫多晶硅的材料，像印刷報(bào)紙一樣印在柔軟的塑料薄膜上的。

　　這種材料和傳統(tǒng)硅材料相比，雖然性能稍遜，但優(yōu)點(diǎn)是可彎曲、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化制造工藝，讓它既柔軟又高效，還能集成成千上萬(wàn)個(gè)微型晶體管。

　　他們還從以下三個(gè)方面進(jìn)行了同時(shí)優(yōu)化：材料工藝、電路設(shè)計(jì)、AI 算法，讓芯片在保持低功耗的同時(shí)，還能高速運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們甚至設(shè)計(jì)了一套輕量化的 AI 模型，可以直接一次性燒錄進(jìn)入芯片，無(wú)需反復(fù)讀寫(xiě)，極大提升了效率。

　　實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)剛性芯片難以達(dá)到的性能

　　閆岸之告訴 DeepTech：“相比于傳統(tǒng)剛性芯片使用的高純度單晶硅，我們采用的低溫多晶硅在半導(dǎo)體參數(shù)上雖然有所差距，但在柔性芯片體系中，我們?cè)诰群湍苄弦呀?jīng)做到了當(dāng)前最先進(jìn)的水平。這背后主要是通過(guò)我們?cè)谡撐闹刑岬降? CLCO 策略——也就是工藝、電路、算法多層級(jí)協(xié)同優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。”

　　在工藝層面，他們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和模擬，充分掌握了薄膜厚度、晶體管參數(shù)等在制造過(guò)程中的分布規(guī)律，特別是針對(duì)柔性 CMOS 工藝進(jìn)行了多次迭代優(yōu)化。

　　在電路層面，他們采用了數(shù)字存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)，這在器件一致性較差的柔性工藝中，相比模擬方案更能抵抗工藝波動(dòng)和環(huán)境變化的影響，同時(shí)也省去了功耗較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

　　在算法層面，他們采用了一次性部署的輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案，即使是在僅 1 Kbit 存儲(chǔ)的芯片上也能完整運(yùn)行，避免了外存數(shù)據(jù)搬運(yùn)帶來(lái)的功耗和延遲，顯著提升了芯片在實(shí)際邊緣場(chǎng)景中的可用性。

　　閆岸之補(bǔ)充稱(chēng)，本次芯片在 AI 應(yīng)用上的核心思路是一次性部署，即讓整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全運(yùn)行在存算芯片內(nèi)部，避免與外存頻繁交換數(shù)據(jù)。為此，他們采用量化感知訓(xùn)練等方法，在壓縮模型規(guī)模的同時(shí)盡量保持精度，實(shí)現(xiàn)了又小又準(zhǔn)。

　　他們還測(cè)試了包括手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別、語(yǔ)音喚醒、心律失常檢測(cè)等多個(gè)任務(wù)，在 1 Kbit 芯片上實(shí)現(xiàn)心律分類(lèi) 99.2% 的準(zhǔn)確率。此外，還通過(guò)多生理信號(hào)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體日?；顒?dòng)模式的識(shí)別。

　　對(duì)于應(yīng)用前景，閆岸之有著更多暢想。他表示：“醫(yī)療健康是一個(gè)重要的方向，除此之外，我認(rèn)為它在柔性機(jī)器人領(lǐng)域會(huì)有很大潛力?！?/p>

　　利用 FLEXI 芯片可以大面積延展的特性，能夠?yàn)闄C(jī)器人制作電子皮膚，解決現(xiàn)有機(jī)器人近距離感知能力不足的問(wèn)題。例如結(jié)合紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式的距離感知與避障。此外，它也非常適合用于腦機(jī)接口這類(lèi)神經(jīng)探針設(shè)備。

　　柔性材質(zhì)能更好地貼合生物組織，實(shí)現(xiàn)高通量神經(jīng)信號(hào)采集與前端實(shí)時(shí)處理。對(duì)于近年來(lái)發(fā)展迅速的可變形機(jī)器人，F(xiàn)LEXI 芯片在復(fù)雜曲面上具有天然優(yōu)勢(shì)，可用于局部運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境識(shí)別等任務(wù)，甚至可以應(yīng)用于微型飛行器的導(dǎo)航與通信。

　　未來(lái)，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)希望能將芯片集成在電子皮膚、可植入神經(jīng)探針、甚至語(yǔ)音交互貼片等場(chǎng)景中，讓人機(jī)交互更自然、更高效。

　　能夠取得今天的成果，自然離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)。閆岸之最后表示：“任天令教授等始終尊重科研探索的客觀(guān)規(guī)律，同學(xué)們?cè)陂L(zhǎng)期研究中難免遭遇挫折、走入彎路甚至經(jīng)歷失敗，老師從不會(huì)苛責(zé)，反而耐心引導(dǎo)，鼓勵(lì)我們沉下心來(lái)獨(dú)立思考、深入探索。

　　團(tuán)隊(duì)倡導(dǎo)交叉研究與大膽探索，不同研究方向的同學(xué)可隨時(shí)交流探討，遇到科研難題也能根據(jù)需求組建團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)，這是這樣開(kāi)放務(wù)實(shí)的科研氛圍，讓我們敢于探索、勇于嘗試，諸多創(chuàng)新想法也得以生根發(fā)芽、落地推進(jìn)?！?/p>