據(jù)悉，清華大學(xué)、北京大學(xué)等機構(gòu)科研人員成功基于國產(chǎn)工藝研制出FLEXI系列全柔性數(shù)字型存算一體芯片，突破了柔性電子應(yīng)用于邊緣高性能人工智能計算的天然瓶頸。該芯片基于低溫多晶硅薄膜晶體管，薄如蟬翼，可隨意彎折，并具備超低功耗、高能效、高魯棒性與低成本等優(yōu)勢。
據(jù)介紹，該芯片還采用了以全數(shù)字靜態(tài)隨機存取存儲器為核心的“存算一體”架構(gòu)，相當(dāng)于把“記憶單元”和“計算單元”合二為一，省去了來回搬運數(shù)據(jù)的時間和能耗，更加高效。其中，最小版本的FLEXI-1芯片面積僅31.12平方毫米，集成10628個晶體管，可在僅55.94微瓦的超低功耗模式下運行。
FLEXI系列全柔性數(shù)字型存算一體芯片是一種結(jié)合了存儲和計算功能的先進半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)品。這類芯片的出現(xiàn)代表了半導(dǎo)體技術(shù)的一個重要進展，旨在提高計算設(shè)備的能效、降低成本，并簡化設(shè)計復(fù)雜度。
它有如下特點
存算一體（In-Memory Computing）?：存算一體技術(shù)將計算功能集成到存儲單元中，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和能耗，提高了處理速度。
?全柔性（Fully Flexible）?：這種芯片設(shè)計允許高度的可配置性和可擴展性，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求靈活調(diào)整其功能和性能。
?數(shù)字型（Digital）?：基于數(shù)字信號處理技術(shù)，提供高精度的計算能力，適用于各種數(shù)字信號處理任務(wù)。
?高性能?：通過集成計算和存儲，可以實現(xiàn)更快的處理速度和更高的能效比。
?低功耗?：減少了數(shù)據(jù)在存儲和計算之間的移動，從而降低了功耗。
2. 應(yīng)用場景
?人工智能和機器學(xué)習(xí)?：在AI和ML領(lǐng)域，存算一體芯片可以加速模型的訓(xùn)練和推理過程，特別是在邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中。
?大數(shù)據(jù)處理?：適用于需要高速數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，如實時數(shù)據(jù)分析、視頻和圖像處理等。
?高性能計算?：在需要高計算密度和低延遲的應(yīng)用中，如科學(xué)計算、金融分析等領(lǐng)域。
?嵌入式系統(tǒng)?：在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)LEXI系列芯片可以提供強大的計算能力而占用空間小、功耗低。
通過減少硬件組件的數(shù)量（如不需要獨立的存儲器和處理器），可以降低整體系統(tǒng)的成本。減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量損耗，提高整體系統(tǒng)的能效。
據(jù)清華大學(xué)官方介，F(xiàn)LEXI 采用低溫多晶硅（LTPS）CMOS 工藝制造，兼具輕薄、低成本和高能效等優(yōu)勢。該系列包括 FLEXI-1（1 kb）、FLEXI-4（4 kb）和 FLEXI-32（32 kb）三種規(guī)格，最多集成約 26.5 萬個晶體管，在單一柔性基片上實現(xiàn)了 SRAM 存儲、計算單元和外圍電路的高度集成。
FLEXI 采用模塊化、可擴展的數(shù)字存算架構(gòu)，每個模塊由 6T-SRAM 單元及嵌入式可重構(gòu)本地處理單元（RLPU）構(gòu)成，支持穩(wěn)定、高速、并行的點積運算。通過覆蓋制造工藝、電路設(shè)計和算法實現(xiàn)的跨層級協(xié)同優(yōu)化（CLCO）策略，F(xiàn)LEXI 在工藝波動和機械應(yīng)力條件下仍能保持優(yōu)異的計算精度、面積效率和能效表現(xiàn)，并高效支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理中的單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）運算。
為降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重反復(fù)寫入帶來的能耗與時間開銷，研究團隊針對不同芯片容量設(shè)計了一組輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)權(quán)重的片上一次性部署。這些模型可在 FLEXI 芯片上高效處理心電信號、語音、圖像以及多模態(tài)生理信號等多種數(shù)據(jù)類型，即使在最小規(guī)模的 FLEXI-1 芯片上也可穩(wěn)定運行。
實驗結(jié)果表明，F(xiàn)LEXI 芯片可在 2.5–5.5 V 電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并在半徑 1 mm、180° 對折條件下經(jīng)受超過 4 萬次彎折循環(huán)而性能無明顯退化。
在 FLEXI-1 上，芯片分別實現(xiàn)了 12.5 MHz 的高性能運行模式和 55.94 μW 的超低功耗運行模式。
同時，F(xiàn)LEXI 在長時間高頻運算中實現(xiàn)零錯誤運行，整體良率達 70%–92%，單芯片成本低于 1 美元，并具備良好的長期穩(wěn)定性。
與已報道的柔性計算芯片相比，F(xiàn)LEXI 在時鐘頻率和能效方面均實現(xiàn)數(shù)量級提升；相較于同步 CPU，其能量–延遲積降低 3–4 個數(shù)量級。高性能、低功耗與優(yōu)異機械可靠性的結(jié)合，使 FLEXI 成為面向邊緣人工智能應(yīng)用的極具潛力的柔性計算平臺。
在應(yīng)用驗證方面，研究團隊將 FLEXI 用于日常活動的連續(xù)監(jiān)測與識別，展示了其在可穿戴健康監(jiān)測和多模態(tài)傳感器內(nèi)計算中的應(yīng)用前景。團隊采集了受試者在不同狀態(tài)下的心率、呼吸頻率、體溫和皮膚水分等多模態(tài)生理信號，構(gòu)建了輕量級四通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在 FLEXI-1 上實現(xiàn)一次性片上部署。通過量化感知訓(xùn)練，該模型在測試集上實現(xiàn)了 97.4% 的分類準確率。
總體而言，F(xiàn)LEXI 是一種基于 LTPS-TFT 技術(shù)的柔性數(shù)字存內(nèi)計算芯片。通過工藝–電路–算法協(xié)同優(yōu)化，該芯片在高頻計算、極端機械應(yīng)力和加速老化條件下均保持穩(wěn)定、無誤差運行，并展現(xiàn)出超過 6 個月的長期穩(wěn)定性。相關(guān)成果為柔性電子器件在移動醫(yī)療、嵌入式智能及其他邊緣計算場景中的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院 2021 級博士生閆岸之、2021 級碩士生閆澗瀾、2022 級碩士生沈鵬輝，以及北京大學(xué)集成電路學(xué)院 2023 級博士生符一涵為論文共同第一作者；清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、清華大學(xué)信息國家研究中心劉厚方副研究員及北京大學(xué)人工智能研究院燕博南助理教授為共同通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院楊軼副教授等為論文共同作者。清華大學(xué)為本論文的第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金委員會、科技部、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心及北京市自然科學(xué)基金委員會等機構(gòu)的支持。
***直播預(yù)告**********
精彩熱文推薦
1、“中國邊緣AI芯片第一股”要來了！愛芯元智通過港交所聆訊
2、32位MCU最殘酷內(nèi)卷淘汰正當(dāng)時，唯有核心競爭力產(chǎn)品方可致勝！
3、西電郝躍院士團隊攻克世界難題！
4、AI 大爆發(fā) 2.0：臺積電技術(shù)工藝發(fā)展
5、英偉達的真正對手是誰？
6、本土EDA，繁華背后的憂思
7、算力中心會不會“爛尾”？一場悄然發(fā)生的 AI 基建去泡沫運動
8、出手即王炸！萬里眼發(fā)布震撼全球的高端示波器！
9、特斯拉與通用“剔除中國供應(yīng)鏈”：美國新能源產(chǎn)業(yè)重構(gòu)下的科技脫鉤真相
10、誰才是鴻蒙智行真正的對手？
