以下文章來源于EETOP ，作者Nancy Zhou
近日，馬斯克透露，他的人工智能初創(chuàng)公司xAI正計劃建造一臺超級計算機(jī)，并希望在 2025年秋季之前讓擬議的超級計算機(jī)運(yùn)行，為其下一版本的人工智能聊天機(jī)器人Grok提供算力。
其實，早在今年3月，xAI就發(fā)布了其最新版的Grok 1.5。不過，4月，馬斯克宣布，由于沒有足夠多的先進(jìn)芯片，故推遲了Grok 2模型的訓(xùn)練和發(fā)布。他表示，訓(xùn)練Grok2模型需要大約2萬塊英偉達(dá)H100，而Grok3模型及更高版本將需要10萬塊英偉達(dá)H100。完成后，其連接的芯片組將至少是當(dāng)今最大GPU集群的4倍。
確實，生成式AI從云端走向終端，芯片已經(jīng)成為推進(jìn)大模型發(fā)展的關(guān)鍵。大模型企業(yè)也已經(jīng)開始將目光聚焦到芯片公司，期待從底層展開合作，以解決算力成本在端側(cè)的覆蓋問題?；谒懔π枨?，芯片廠商與大模型廠商走得更近了。
在泰克最新對清華大學(xué)教授高濱的采訪中，他表示：“自2023年開始，大模型就非?；?。國際上、以及幾個大公司都在研究怎么去支持大模型。從新的器件到新的工藝，這幾個公司的技術(shù)路線都不太一樣。有的相對傳統(tǒng)一些，有的嘗試用新工藝新器件去做。在去年的IEDM大會中，還專門設(shè)置了一個探討大模型的section?！?
高濱老師特別強(qiáng)調(diào)說：“大模型不僅僅是算法和應(yīng)用上，其實底層的算力支撐也是非常重要。”
大模型與存算一體技術(shù)
當(dāng)前，各行各業(yè)都在數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)處理和存儲的需求與日俱增。傳統(tǒng)的計算與存儲的模式已經(jīng)很難滿足當(dāng)下高性能、低能耗、強(qiáng)安全的需求。存算一體技術(shù)被認(rèn)為是可以有效解決傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)下的“存儲墻”和“功耗墻”問題的有效途徑。
存算一體的優(yōu)勢是打破存儲墻，消除不必要的數(shù)據(jù)搬移延遲和功耗，并使用存儲單元提升算力，成百上千倍的提高計算效率，降低成本。除了用于AI計算外，存算技術(shù)也可用于存算一體芯片和類腦芯片，代表了未來主流的大數(shù)據(jù)計算芯片架構(gòu)。
高濱老師表示，大模型對功耗及成本的要求很高。如果憶阻器真的能應(yīng)用到大模型里面的話，能效比預(yù)計將會有數(shù)量級的提升?，F(xiàn)在大模型基本都是在云端，未來在端側(cè)，功耗將會是一個非常大的挑戰(zhàn)。憶阻器這種高能效的優(yōu)勢在端側(cè)就會有很多的優(yōu)勢。
高濱老師分享了近兩三年的研究重點，主要是希望把存算一體的技術(shù)往應(yīng)用上去牽引，具體在開展的工作包括以下三大方面：
與企業(yè)合作。嘗試在實際邊緣智能的場景中做芯片設(shè)計，以及實際場景下的可靠性。高濱老師特別指出：“我們發(fā)現(xiàn)，在很多實際場景下，芯片電阻狀態(tài)的保持其實是存在隨機(jī)偏移的relaxation效應(yīng)的，如何抑制隨機(jī)偏移，以滿足未來的應(yīng)用需求，這是當(dāng)前非常重要的課題?！?
大模型的應(yīng)用研究，主要是致力于提高密度。傳統(tǒng)的小的卷積網(wǎng)絡(luò)加速是不需要高密度的，但大模型需要。希望把密度盡可能的做高。以前做小的卷積網(wǎng)絡(luò)的加速，其實不需要這么高的密度。但是大模型需要。這其實主要是工藝方面的研究。
類腦學(xué)習(xí)。這是更前沿更創(chuàng)新的領(lǐng)域，除了去年十月在Science上發(fā)表的新近研究成果之外，其實清華大學(xué)還在布局新型類腦計算，它更看重整體算法效果，而非器件個體，最后是落實到器件上去做優(yōu)化，調(diào)節(jié)器件中的電子離子的輸運(yùn)。
后摩爾時代，從系統(tǒng)層面進(jìn)行頂層規(guī)劃，根據(jù)系統(tǒng)需求優(yōu)化器件，并做好器件與系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，這點這尤為重要。就此，高濱老師特別分享了后摩爾時代，系統(tǒng)和器件的全新范式的研究模式。
系統(tǒng)和器件的全新范式的研究模式
摩爾定律的黃金時代，主要是將晶體管、電阻、電容和電感等元器件集成在一起，并形成具有預(yù)期功能的電路。這個時期，不太需要在意系統(tǒng)和器件的協(xié)同，只要器件做的足夠小，芯片的性能大體就能得到保證。
但是，后摩爾時代，應(yīng)用場景的需求正向著高密度、小型化、強(qiáng)功能、低功耗、低成本、高可靠、易設(shè)計等方向發(fā)展，已經(jīng)不僅僅是簡單的電路設(shè)計，而是要做系統(tǒng)化的集成。很多時候，需要把系統(tǒng)和器件做一個協(xié)同的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的需求去優(yōu)化器件，很典型的就是存算一體，最終目的是要做人工智能的加速。
高濱老師進(jìn)一步分享說，人工智能對器件性能的要求很復(fù)雜，不是單純把器件阻值調(diào)穩(wěn)，就能達(dá)到系統(tǒng)要求。如加速一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的卷積層、全連接層等各種層，其實對器件的性能要求都不一樣。器件的指標(biāo)很難抽象到具體的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，以保證芯片設(shè)計的好壞。
比較全新的一個概念就是做陣列測試。不一樣的算法模型解決不一樣的數(shù)學(xué)問題，從底層的設(shè)計是有區(qū)別的，對器件的要求也不一樣。所以在小規(guī)模的陣列上，去做測試和研究，是有助于做器件的優(yōu)化的。
圖為一個 4X4 1T1R 陣列測試框圖。從框圖可以看出，陣列測試不僅測試硬件連接復(fù)雜，其控制流程及測試序列更需要定制。
高濱老師特別強(qiáng)調(diào)說：“不過最好還是要落實到器件上去做優(yōu)化。去調(diào)整器件里面電子、離子的輸運(yùn)，最后去看整體算法的效果。這其實就是系統(tǒng)和器件之間的協(xié)同發(fā)展?！?
而在新器件工藝上，當(dāng)前摩爾定律正面臨極限挑戰(zhàn)，一個方向是繼續(xù)“延續(xù)摩爾定律”。國際上幾大公司，都還在不斷研究新的先進(jìn)工藝，如堆疊三維基層晶體管。但門檻太高，能做的企業(yè)寥寥無幾。
高濱老師分享說：“目前另一個新的方向是單片三維集層，它與現(xiàn)在較熱的 chiplet，其實是平行路線。具體做法是，在一個襯底上盡量把很多器件三維堆疊起來。相對chiplet，其器件間的帶寬會更高。這是一個新的趨勢，可用新型 TFT 材料、薄膜氧化物、二維材料等嘗試做成后端兼容器件?！?
面向傳統(tǒng)存算分離架構(gòu)制約算力提升的重大挑戰(zhàn)，去年十月，清華大學(xué)吳華強(qiáng)、高濱團(tuán)隊成功研制出了國際首顆支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片，提出了一種適于憶阻器實現(xiàn)高效片上學(xué)習(xí)的新型通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和STELLAR架構(gòu)，有效實現(xiàn)大規(guī)模模擬型憶阻器陣列與CMOS的單片三維集成，并成功演示了圖像分類、語音識別和控制任務(wù)等多種片上增量學(xué)習(xí)功能。該成果通過算法、架構(gòu)、集成方式的全流程協(xié)同創(chuàng)新，展示出高適應(yīng)性、高能效、高通用性、高準(zhǔn)確率等特點，為發(fā)展高算力芯片探索出了一條創(chuàng)新路徑。
憶阻器的發(fā)展趨勢
在新興的信息時代，發(fā)展和探究憶阻器的各種性能刻不容緩。憶阻器全稱記憶電阻，是一種具有電荷記憶功能的非線性電阻，于1971年，由加州大學(xué)伯克利分校的華裔科學(xué)家蔡少棠教授提出。蔡教授從電路完整性角度出發(fā)，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出憶阻器的概念。
憶阻器是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的核心器件，它為發(fā)展信息存儲與處理融合的新型計算體系架構(gòu)，突破傳統(tǒng)馮·諾伊曼架構(gòu)瓶頸，提供了可行的路線，其性能直接影響神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計算能力。
憶阻器的發(fā)展有三個階段：
第一個階段主要做存儲；
第二階段，就是現(xiàn)在做的存算一體，加速人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的；
第三便是類腦計算，不過它本質(zhì)還是憶阻器，因為它需要利用憶阻器的一些動力學(xué)特性。憶阻器主要是調(diào)節(jié)內(nèi)部的離子輸運(yùn)，存算一體更多是利用它的靜態(tài)過程。未來還可以利用電離子的很多動態(tài)過程，去做更像神經(jīng)元的一些行為。
憶阻器也是目前材料和電子領(lǐng)域的研究前沿和熱點。其中，氧化物材料在憶阻器研究中具有重大價值。高濱老師分享說：“雖然對于氧化物憶阻器目前看似已經(jīng)到了發(fā)展的瓶頸期，但未來，還是有好幾個突破點的?！?
據(jù)高濱老師分享，可靠性和密度是非常值得關(guān)注的方向。
可靠性。一個器件能調(diào)節(jié)出很多個穩(wěn)定的電路狀態(tài)，叫多比特存儲。只有做到多比特存儲，很多計算的效率才能提高。而多比特存儲，目前最高阻和最低阻都比較穩(wěn)定。但中間阻態(tài)，由于原子分布的形貌比較特殊，就沒那么穩(wěn)定，這很大程度就限制了憶阻器的應(yīng)用。如何把中間阻態(tài)做穩(wěn)定，本身是一個科學(xué)問題。以及如何同時去監(jiān)測中間阻態(tài)，對測試也提出了很大的挑戰(zhàn)。
密度。高濱老師表示，終極目標(biāo)是希望能與 M3D 高密度存儲器拼密度，但這很難做到。清華大學(xué)現(xiàn)在在嘗試用HBM的方式，把多片憶阻器堆疊起來。這就需要把片內(nèi)憶阻器的尺寸盡量做小。其中面臨的挑戰(zhàn)就是憶阻器和晶體管的匹配問題，需要兩者的共同優(yōu)化，本質(zhì)還是工藝。
高濱老師滿懷期望的分享到：“未來，憶阻器還有可能會應(yīng)用到高速存儲，用憶阻器去研究憶阻器，就像用人去研究生物。這將是更高階的智能。這個方向，我覺得在學(xué)術(shù)界，還是非常值得去探索的。但是短期落地還是有困難的。因為現(xiàn)在想做大規(guī)模的，無論是在工藝上，還是在算法上，都還存在很多挑戰(zhàn)。不過，由高校牽頭去探索，確實是一個非常好的方向?！?
存算器件的發(fā)展與測試需求
類腦計算的研究，本身需要用到動力學(xué)特性，希望能看到電阻隨時間怎么變。同時，希望有很多電阻狀態(tài)，并且能監(jiān)控每一個電阻狀態(tài)的情況。其中，靜態(tài)情況的保持，需要關(guān)注絕對的電阻數(shù)值；動態(tài)的，涉及到讀和寫的切換，速度越快越好。幾納秒的時鐘內(nèi)完成切換。
器件的測試結(jié)果，其實是沒辦法直接轉(zhuǎn)換到芯片里面去做。在器件狀態(tài)就得去做芯片方面的模擬測試。在靜態(tài)測試轉(zhuǎn)向動態(tài)測試，對于微安級的電流，需要有納秒級別的寫入或者讀出，跟調(diào)控阻態(tài)的時候希望能有更精準(zhǔn)的寫和讀，是相近的需求。
高濱老師表示，他們現(xiàn)在想做模仿類腦的神經(jīng)形態(tài)器件，其實也是受限于設(shè)備。他分享說：“我們看到，近幾年有一些這方面的研究，但是速度基本也都是在毫秒，也有可能是因為大腦就是毫秒，所以我們也就是做到毫秒。但如果能做到比大腦快，那肯定更好?！?
現(xiàn)在超級神經(jīng)元在毫秒量級，會有一個動力學(xué)的響應(yīng)，器件可以做的很快，能做到納秒量級的響應(yīng)，是比生物量級快的一個超級大腦。我們相信，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，存算一體技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
高濱
清華大學(xué)集成電路學(xué)院 副教授，博士生導(dǎo)師
高濱，現(xiàn)為清華大學(xué)集成電路學(xué)院長聘副教授。2008年本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)院，獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2013年博士畢業(yè)于北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微電子系，獲得微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)博士學(xué)位；讀博期間曾赴新加坡南洋理工大學(xué)和美國斯坦福大學(xué)交流訪問。2013年至2015年在北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院做博士后，2015年加入清華大學(xué)微納電子系，2017年晉升準(zhǔn)聘副教授，2022年成為清華大學(xué)集成電路學(xué)院長聘副教授。
現(xiàn)主要從事先進(jìn)存儲器和存算一體芯片研究，在Science、Nature、Nature Electronics、Nature Nanotechnology、Nature Machine Intelligence等期刊發(fā)表論文200余篇，在微電子三大頂級會議（IEDM、VLSI和ISSCC）發(fā)表論文50余篇，總引用超過15000次。申請專利300余項。擔(dān)任了IEDM、IRPS、EDTM、ICTA的sub-committee chair，DAC、IMW、IPFA的TPC member，在重要國際學(xué)術(shù)會議做特邀報告20余次。2020年獲得國家青年人才項目支持，2024年獲得國家高層次人才項目支持。獲得中國電子學(xué)會自然科學(xué)一等獎、教育部自然科學(xué)二等獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎、中國科協(xié)中國十大新銳科技人物、清華大學(xué)年度教學(xué)優(yōu)秀獎和優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師等獎勵。
