探索記憶電阻 創(chuàng)新人工智能

倪海波

阿里達(dá)摩院在2020年1月發(fā)布了《2020十大科技趨勢》報(bào)告，其中第二大趨勢為“計(jì)算存儲一體化突破AI算力瓶頸”。報(bào)告指出：“數(shù)據(jù)存儲單元和計(jì)算單元融為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)，極大提高計(jì)算并行度和能效。計(jì)算存儲一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，將突破AI算力瓶頸。”

現(xiàn)有的研究證明，憶阻器可替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)底層的晶體管，把馮·諾伊曼架構(gòu)里的處理、內(nèi)存、外存都融合在一起，構(gòu)建存算一體陣列，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，突破傳統(tǒng)計(jì)算框架“馮·諾依曼瓶頸”的限制。但現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比理想骨感，想要制備具有高一致性、高可靠性的多值憶阻器陣列十分困難。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院助理研究員黃鵬敏銳地意識到，憶阻器潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，就像當(dāng)年晶體管替代電子管一樣，憶阻器可能給信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)帶來顛覆性變化，可能給國家和軍隊(duì)帶來搶占信息技術(shù)未來制高點(diǎn)的重大戰(zhàn)略機(jī)遇。如果朝這條路發(fā)展下去的話，或許能再一次延續(xù)摩爾定律的生命，誕生出新一代的智慧機(jī)器人。

一切從興趣出發(fā)

黃鵬總能想起2011年的某個(gè)深夜，北大的校園里已經(jīng)沒有什么人了，微納電子學(xué)研究院的辦公室卻還亮著燈，他正在熬夜修改自己的第一篇會議文章，這也是他第一次參加行業(yè)最頂級的會議，導(dǎo)師劉曉彥教授在旁邊耐心、細(xì)心、認(rèn)真地指導(dǎo)他。“第一次寫毫無經(jīng)驗(yàn)，deadline（截止時(shí)間）也快到了，很著急。”黃鵬回憶道，導(dǎo)師劉曉彥教授幾乎是手把手地教他如何畫圖、如何更清楚地表達(dá)文章的意思、如何做一場好的報(bào)告，最后陪著他熬了好幾個(gè)通宵。多年以后，那些和老師一起通宵的夜晚，還是會讓黃鵬感動不已，他也慶幸選擇了感興趣的方向——微電子學(xué)，一路走來，有了一些成果。

黃鵬的大學(xué)4年是在西安電子科技大學(xué)度過的，學(xué)的是電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)。學(xué)校給出的培養(yǎng)方案是在前兩年學(xué)習(xí)電子科學(xué)技術(shù)的通用課程，從第3年開始分方向選課。“電子科學(xué)技術(shù)是個(gè)一級學(xué)科，下面有4個(gè)二級學(xué)科，其中就有微電子學(xué)與固體電子學(xué)。”在第3年選課學(xué)習(xí)的過程中，黃鵬發(fā)現(xiàn)自己對微電子學(xué)方向更感興趣，更多地選擇了微電子學(xué)相關(guān)的課程，積累知識，開闊視野。

大三暑假，黃鵬開始著手準(zhǔn)備保研的事情，他的成績不錯(cuò)，收到了北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院的面試通知。“我當(dāng)時(shí)面試完感覺不是很好，但沒想到老師說題目還是比較難的，我回答得還是很不錯(cuò)的。”老師的話像一針強(qiáng)心劑給了黃鵬很大的勇氣，他拒絕了其他學(xué)校的推免，開開心心地等著9月的開學(xué)。

來到北京大學(xué)后，黃鵬認(rèn)認(rèn)真真地跟著師兄師姐開組會，了解課題組的研究內(nèi)容，一個(gè)月后他發(fā)現(xiàn)這些研究跟自己想的有些不一樣。導(dǎo)師劉曉彥教授似乎看出了黃鵬的困惑，主動找他聊天，問他對什么方向感興趣。

當(dāng)時(shí)劉曉彥教授給了黃鵬兩個(gè)題目：一個(gè)題目是研究石墨烯，另一個(gè)題目是研究憶阻器。“劉老師還是比較開明的，不會要求我必須做什么，還是比較尊重我個(gè)人的興趣。”黃鵬看著這兩個(gè)題目，最后決定等十一假期過完再給老師回復(fù)。

10月，恰逢諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)，當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家，表彰他們利用透明膠帶制備出二維石墨烯材料。出人意料的是，黃鵬并沒有選擇石墨烯作為自己的研究方向，“我還是想研究自己感興趣的東西”。整個(gè)十一假期，黃鵬查閱了數(shù)量可觀的文獻(xiàn)資料，他預(yù)感憶阻器會是未來的研究趨勢，所以最后他答復(fù)劉曉彥教授：“我想朝著憶阻器這個(gè)方向去研究。”

向大腦尋找答案

雖然已經(jīng)決定做憶阻器的研究，但黃鵬之前從未接觸過憶阻器，如何把其中的物理機(jī)制描述出來、如何模擬器件變化的電學(xué)行為，他沒有任何可以參照的模型，想不出好的方法去做實(shí)驗(yàn)。“后來和課題組里做晶體管的同學(xué)交流，他們的一些方法讓我很受啟發(fā)，我也嘗試著寫了一些程序，應(yīng)用到憶阻器上。”

經(jīng)過啟發(fā)后的黃鵬從零開始建立了鉿基氧化物阻變器件模擬程序，提出了適于電路模擬的阻變器件模型等，相關(guān)成果于2012年、2013年連續(xù)兩年在電子器件領(lǐng)域旗艦會議——IEEE電子器件會議國際會議（IEEE International Electron Devices Meeting）上作為第一完成人發(fā)表，受到斯坦福大學(xué)、比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）等研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

2 0 1 4年，黃鵬前往美國斯坦福（Stanford）大學(xué)做短期訪問學(xué)者，在這期間主要從事憶阻行為的HSPICE模型開發(fā)，并被學(xué)術(shù)界的同行廣泛采納使用。鑒于黃鵬在新型阻變存儲器（RRAM）模型模擬研究方面所做的出色工作，他獲得2014年美國電氣電子工程師學(xué)會下設(shè)的電子器件協(xié)會（IEEE Electron Device Society）博士研究生獎(jiǎng)學(xué)金（Ph. D.student fellowship）。該協(xié)會每年在全球范圍內(nèi)評選3位獲獎(jiǎng)?wù)撸元?jiǎng)勵(lì)在相關(guān)領(lǐng)域做出突出成績的在讀博士研究生。

轉(zhuǎn)眼間，黃鵬到了博士的畢業(yè)階段。“劉老師和我說，前面都是她給的題目，但是后面的研究我需要自己去思考，這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)還有哪些關(guān)鍵的科學(xué)問題需要去解決，要自己找方向。”導(dǎo)師的一席話讓黃鵬意識到，他還有很長很遠(yuǎn)的路要走，不能滿足于目前取得的榮譽(yù)，停滯不前。

黃鵬花了很長的時(shí)間整理博士前4年的工作，整理完之后，他發(fā)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算技術(shù)和類腦計(jì)算芯片會是憶阻器領(lǐng)域未來比較重要的研究方向，如果自己繼續(xù)朝著這個(gè)方向前進(jìn)的話，說不定能給這個(gè)領(lǐng)域帶來一些新的變化。

2 0 1 6年，黃鵬以第一作者的身份將論文《面向大規(guī)模信息處理應(yīng)用的可重構(gòu)非揮發(fā)存儲計(jì)算融合架構(gòu)》（Reconfigurable nonvolatile logic operations in resistance switching crossbar array for large-scale circuits）在線發(fā)表于頂級期刊Advanced Materials上。他提出以憶阻器替代當(dāng)前主流的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件來實(shí)現(xiàn)邏輯計(jì)算，構(gòu)建了計(jì)算和存儲一體化的新型硬件信息處理系統(tǒng)。其中，憶阻器兼?zhèn)溥壿嬘?jì)算和數(shù)據(jù)存儲的雙重功能，極大地減少了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各個(gè)部分之間的交換，提高了計(jì)算效率。

“大腦就是存算一體的系統(tǒng)，所以能不能模仿人腦去做一個(gè)機(jī)器？”黃鵬解釋說，阿爾法圍棋（AlphaGo）擊敗李世石用了176個(gè)GPU、1202個(gè)CPU，功耗是150000W。而李世石的大腦體積大概是 1.2L，有1011個(gè)神經(jīng)元，1015個(gè)突觸，思考的時(shí)候功耗是20W。“大腦的功耗這么小，這么聰明，這里面還有這么大容量的神經(jīng)元、突觸，給了我們很多啟發(fā)。”為此，黃鵬作為研究骨干參與到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于二維材料的電子突觸”項(xiàng)目的研究中，他想通過向大腦尋找答案，看看大腦是如何處理計(jì)算的，大腦擁有的神經(jīng)突觸是否能通過仿真技術(shù)做出電子突觸。

授人以漁育學(xué)生

2020年是黃鵬在北京大學(xué)的第十年，10年聽起來很漫長，但是因?yàn)橛兄蠋煛⑴笥选⑼碌呐惆楹凸膭?lì)，他的每一步都走得很穩(wěn)健。

“博士畢業(yè)的時(shí)候，我也找過一些企業(yè)的工作，但找了一圈發(fā)現(xiàn)我還是更喜歡科研工作，另外我覺得教書育人是一份很神圣的工作。”黃鵬覺得把一名學(xué)生從初出茅廬培養(yǎng)成科研棟梁，是一個(gè)非常有成就感的過程。

但教書育人并不是一個(gè)簡單的工作，黃鵬感觸最深的是教育理念的轉(zhuǎn)變。“剛開始的時(shí)候，我覺得把基本的知識教給學(xué)生就可以了。”但不管是導(dǎo)師劉曉彥教授的教導(dǎo)，還是北京大學(xué)對新老師的培訓(xùn)，傳達(dá)給黃鵬的是，“重要的是教授學(xué)習(xí)的方法，而不是教具體的知識”。“教給學(xué)生具體的知識，學(xué)生可能會忘，但是教具體的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生基本上都不會忘，而且會用在學(xué)習(xí)新的知識點(diǎn)上，融會貫通。”古語云，授人以魚不如授人以漁，黃鵬深深感受到了“捕魚”的方法有多重要。

當(dāng)被記者問到，北京大學(xué)最吸引他的地方在哪里時(shí)，黃鵬給出了兩個(gè)答案：一是學(xué)術(shù)自由的氛圍，二是強(qiáng)烈的批判精神。

對做學(xué)術(shù)的人來說，學(xué)術(shù)自由是最重要的，黃鵬在北京大學(xué)最特別的感受是：“沒有人會和你說必須要做什么，你想做什么都是可以的。”黃鵬認(rèn)為學(xué)術(shù)自由才能讓自己在科研上得到更大的發(fā)展。同時(shí)在學(xué)術(shù)自由氛圍的影響下，黃鵬更注重鼓勵(lì)學(xué)生的思維要無拘無束、天馬行空。

而北京大學(xué)強(qiáng)烈的批判精神，對科研幫助更大。“真理是越辯越明，有爭議才有進(jìn)步，很多時(shí)候偉大的發(fā)明必須要有批判的精神才行。”在黃鵬看來，學(xué)生不僅要有批判的精神，更要有克服困難的能力。“因?yàn)橄胍咽虑樽龅接袃r(jià)值，做出比較好的成果，一定會遇到困難。”黃鵬經(jīng)常和學(xué)生說，如果做一件事情一帆風(fēng)順，始終沒有遇到任何困難，那說明做的事情沒有任何價(jià)值，因?yàn)閾Q一個(gè)人也能做相同的事情。解決困難的能力，并不是每一個(gè)人生來就有的，但困難總是和人不期而遇，如何邁過這個(gè)坎，考驗(yàn)著每一個(gè)想要在學(xué)術(shù)上攀登頂峰的人。黃鵬堅(jiān)信，學(xué)生遇到困難、解決困難獲得的收獲，永遠(yuǎn)要比一帆風(fēng)順獲得的收獲更多，成長得更快。

“頂天立地”做科研

在過去的10年里，以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能技術(shù)對人類產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。如何才能更進(jìn)一步，從弱人工智能跨入強(qiáng)人工智能，叩問著每一個(gè)智能研究者的心。

越來越多的科學(xué)家意識到，發(fā)展人工智能的關(guān)鍵并非簡單地提高計(jì)算能力和增加數(shù)據(jù)，而是如何建立一個(gè)類腦的智能模型。黃鵬研究的類腦計(jì)算、存算一體就是向生物找答案，向人類大腦找答案，而受到大腦啟發(fā)的硬件設(shè)計(jì)，將帶領(lǐng)人工智能走向新的道路。

談到研究、談到未來，黃鵬侃侃而談，目光堅(jiān)定，但他也經(jīng)歷過一段非常迷茫的時(shí)期。“博士的第四年和第五年，是我最迷茫的時(shí)候。”在那時(shí)，黃鵬還不能確定最終的研究方向，經(jīng)常是做了兩三個(gè)月的工作之后，發(fā)現(xiàn)別人已經(jīng)解決了這個(gè)問題，甚至比他做得還好。黃鵬很苦惱，懷疑自己是否適合科研工作，“相當(dāng)于船在大海迷失了方向，一直在原地打轉(zhuǎn)”。導(dǎo)師劉曉彥教授如此教導(dǎo)黃鵬，“你不能急，越急越找不到合適的方向，尋找方向本身就是一種修煉，你不必?fù)?dān)心最后能否修煉得道，最重要的是你成長的過程”。黃鵬在家人和老師的鼓勵(lì)支持下，走出了這段艱難的歲月，找到了自己的前進(jìn)方向。

十幾年的科研之路，除了一路上家人和師長的支持，對科研的理想和情懷是黃鵬堅(jiān)持下去的最大動力。課題組的康晉鋒教授曾對黃鵬說，做微電子研究既要“頂天”又要“立地”。所謂“頂天”就是要有科學(xué)的理論，做最前沿的學(xué)術(shù)研究，掌握這一領(lǐng)域的最新動態(tài)。康晉鋒教授希望在退休前能建立一套統(tǒng)一的理論，總結(jié)出這些微電子研究領(lǐng)域中許多神奇的物理現(xiàn)象，這也是黃鵬的終極目標(biāo)。

“立地”是理論能運(yùn)用，研究成果能落地。黃鵬希望通過目前正在進(jìn)行的憶阻器項(xiàng)目，與科技公司合作，真正做出一些產(chǎn)品來，能夠把國家在集成電路方面的短板補(bǔ)齊。“我希望自己能像錢學(xué)森這樣滿懷報(bào)國情的老一輩科學(xué)家一樣，為祖國的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。”

專家簡介

黃鵬，博士，助理研究員。2015年博士畢業(yè)于北京大學(xué)；2015—2018年北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院博士后研究員；2018年4月受聘為北京大學(xué)微納電子學(xué)院助理研究員；2020年獲得國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金立項(xiàng)資助。主要從事憶阻器件及類腦計(jì)算芯片的研究，包括憶阻邏輯運(yùn)算及新型計(jì)算架構(gòu)和憶阻效應(yīng)的物理機(jī)制、模型和模擬。以第一作者（含共同一作）或共同通訊作者發(fā)表論文40余篇，其中微電子標(biāo)志性頂級會議IEDM論文9篇，Nat. Electron.和AM（IF=25.8）論文各1篇，谷歌學(xué)術(shù)引用1700余次，H因子19。