國際頂級學術期刊《自然 · 電子》近日發表的一項新研究顯示，憶阻器能像人腦神經元一樣同時計算和存儲數據，并以超低功耗有效解決人工智能醫療診斷問題。

該研究用憶阻器加速機器學習應用，訓練所需能耗僅有基于數字 CMOS 方法的十萬分之一。這展示了憶阻器在低功耗或網絡 “邊緣”應用的發展潛力。

相關論文已發表于本月《自然 · 電子》期刊上，其題目為《利用馬爾可夫鏈蒙特卡羅抽樣的固有憶阻器可變性進行原位學習（In situ learning using intrinsic memristor variability via Markov chain Monte Carlo sampling）》。

一、模擬人腦神經元突觸的新興存儲技術

憶阻器是一種低功耗非易失性存儲技術，可模擬神經元的一些基本特性。

大約 50 年前，美國加州大學伯克利分校教授蔡少棠在 1971 年已經預言了這一技術的存在。

但直到 2008 年，惠普實驗室發表了基于 TiO2 的阻變存儲器（RRAM）器件的論文，憶阻器才被首次研發創造出來。

憶阻器本質上是電開關，在電源關閉后，能記住它們是打開還是關閉的。和人腦神經元之間的突觸相似，其電導率的增強或減弱由過去多少電流經過決定。

理論上，憶阻器可以像神經元一樣，能同時計算和存儲數據。因此，研究人員認為，憶阻器可以大大減少傳統計算機在處理器和存儲器之間來回傳輸數據所損耗的能量和時間。

這種設備也可以在神經網絡中很好地工作。神經網絡是一種使用合成突觸和神經元來模擬人類大腦學習過程的機器學習系統。

二、相較傳統數字 CMOS 器件，能耗降低 5 個數量級

憶阻器應用的一個挑戰是這些器件的隨機可變性。

這項研究的第一作者、法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學的電氣工程師托馬斯 · 達爾加蒂（Thomas Dalaty）說，憶阻器的電阻或導電性水平取決于連接兩個電極的少量原子，這使它們的電性能很難控制。

憶阻器是通過高電導開態和低電導關態之間循環編程的。通常，由于器件內部固有的隨機過程，憶阻器的電導率可能會在一個開啟狀態和下一個開啟狀態之間變化。

但如果憶阻器開關次數足夠多，每個憶阻器的電導率就會遵循 “鐘形曲線”模式。

研究人員透露，他們可以實現一種被稱為馬爾科夫鏈蒙特卡羅（MCMC，Markov chain Monte Carlo）采樣算法，來積極利用憶阻器這種可預測的行為，解決一些機器學習任務。

與傳統數字 CMOS 電子器件的性能相比，達爾加蒂團隊的憶阻陣列能耗足足降低了 5 個數量級（10 萬倍）。

達爾加蒂解釋說，10 萬倍的差異相當于 “世界上最高的建筑哈利法塔與一枚硬幣的高度之差”，這是因為憶阻器不需要在處理器和存儲器之間來回傳輸數據，節約了大量時間和能耗。

三、心率異常檢出率高于傳統非憶阻器電子技術

憶阻器的一個潛在應用是能夠在網絡 “邊緣”進行學習、調整和操作的設備，如嵌入式系統、智能家居設備和物聯網（IoT）節點等低功耗設備。達爾加蒂認為，憶阻器可以幫助邊緣學習設備成為現實。

“當前邊緣學習是不可能的，因為使用現有硬件執行機器學習所需的能量，遠遠大于邊緣可用的能量。”他解釋說，“邊緣學習（使用憶阻器）…… 可能會打開以前無法實現的全新應用領域。”

在研究中，利用憶阻器的隨機可變性，研究人員使用由 16384 個憶阻器組成的陣列實現馬爾科夫鏈蒙特卡羅采樣，從心電圖記錄中執行惡性組織識別和心律異常檢測任務。

實驗結果顯示，相比基于傳統非憶阻器電子技術的標準神經網絡，這種新方法的檢出率更高。

該研究團隊還使用他們的陣列來解決診斷惡性乳腺組織樣本等圖像識別任務。

未來，邊緣學習憶阻器的潛在應用可能包括植入醫療早期預警系統，該系統可以適應患者隨時間變化的狀態。

達爾加蒂說，他們正在尋找那些真正受能源限制而無法實現的邊緣應用。

在他看來，下一個大的挑戰是將將所有的功能整合到一個可在實驗室外部應用的單一集成芯片上，而這種芯片可能還需要幾年的時間才能問世。

結語：憶阻器領域發展迅速，研發競賽已經開始

據了解，自惠普憶阻器原型問世以來，國際研究迅速升溫，至今已有百余所研究機構參與。不僅英、德、韓等國相繼加入，Intel、IBM 等工業巨頭也在美國軍方支持下砸下重金。

雖然在我國由于學科交叉、產業和學術聯系不緊密等原因發展較為落后。不過華中科技大學、清華、北大、國防科大和中科院微電子所等單位已經聯合申報了項目，并且已經有所成就。

國防科技大學電子科學與工程學院教授徐暉如此評價道：“憶阻器帶來的變革，將在世界電子科技領域引發一場基礎性的影響重大的競賽。”

總結

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