人類歷史上，第一個(gè)可編程憶阻器計(jì)算機(jī)誕生，不再需要將語音命令發(fā)送到云端進(jìn)行解釋，直接在智能手機(jī)上通過 AI 處理器完成，極大的加快響應(yīng)時(shí)間。在一些更加注重私密性的場(chǎng)景比如醫(yī)療設(shè)備中，具有更好的安全性和隱私性。

　　你有沒有想過，智能手機(jī)將來也有可能直接處理復(fù)雜的人工智能任務(wù)?關(guān)鍵在它：人類歷史上，第一個(gè)可編程憶阻器計(jì)算機(jī)。

　　不僅僅是通過外部計(jì)算機(jī)操作的憶阻器陣列，密歇根大學(xué)開發(fā)的這個(gè)可編程憶阻器計(jì)算機(jī)，可以直接在小型、能量受限的設(shè)備(如智能手機(jī)和傳感器)上處理人工智能任務(wù)。

　　也就是說，在未來，不再需要將語音命令發(fā)送到云端進(jìn)行解釋，直接在智能手機(jī)上通過 AI 處理器完成，極大的加快響應(yīng)時(shí)間。在一些更加注重私密性的場(chǎng)景比如醫(yī)療設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的安全性和隱私性。

　　人工智能強(qiáng)大的算力帶來的負(fù)面影響之一就是巨額的能耗。每個(gè)人都希望在智能手機(jī)上安裝 AI 處理器，但你肯定不希望手機(jī)一天充電 12 次。

　　為什么憶阻器有利于機(jī)器學(xué)習(xí)

　　這里提到的憶阻器的高級(jí)計(jì)算機(jī)組件，是具有存儲(chǔ)器、可變電阻的電阻器，可用作信息存儲(chǔ)。

　　由于憶阻器在同一位置存儲(chǔ)和處理信息，因此它們可以解決掉計(jì)算速度及功耗的殺手——內(nèi)存和處理器之間的連接。

　　這對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法尤其重要，例如識(shí)別照片和視頻中的對(duì)象，或預(yù)測(cè)哪些醫(yī)院患者具有較高的感染風(fēng)險(xiǎn)。

　　如今，程序員已經(jīng)習(xí)慣于在圖形處理單元(GPU)而不是 CPU 上運(yùn)行這些算法。

　　“就功率和吞吐量而言，GPU、定制的優(yōu)化數(shù)字電路被認(rèn)為比 CPU 好 10 到 100 倍。”Lu 說。“憶阻器 AI 處理器可能會(huì)再好上 10 到 100 倍。”

　　GPU 在機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)秀，因?yàn)樗鼈冇袛?shù)千個(gè)小核心可以同時(shí)運(yùn)行計(jì)算。憶阻器陣列則更進(jìn)一步，每個(gè)憶阻器都能夠獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算，一個(gè)內(nèi)核里可以一次性執(zhí)行數(shù)千次操作。

　　本次用于實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)擁有超過 5800 個(gè)憶阻器。而用于商業(yè)的話，可能包括數(shù)百萬個(gè)。

　　憶阻器陣列特別適合解決機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，這是因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為向量。例如，預(yù)測(cè)患者在醫(yī)院的感染風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，該向量可以將存在感染風(fēng)險(xiǎn)的因素以數(shù)字表示列出。

　　然后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法將這些“輸入”向量，與在存儲(chǔ)器中的“特征”向量進(jìn)行比較。如果匹配，則系統(tǒng)知道輸入數(shù)據(jù)具有該特征。向量存儲(chǔ)在矩陣中，類似于數(shù)學(xué)電子表格，這些矩陣可以直接映射到憶阻器陣列上。

　　更重要的是，當(dāng)數(shù)據(jù)通過陣列反饋時(shí)，大部分?jǐn)?shù)學(xué)處理通過憶阻器中的自然電阻發(fā)生，消除了將特征向量移入和移出存儲(chǔ)器而導(dǎo)致的額外計(jì)算。這使得陣列在復(fù)雜的矩陣計(jì)算中非常高效。

　　早期的研究證明了憶阻器陣列有可能加速機(jī)器學(xué)習(xí)，但它們需要外部計(jì)算元件才能運(yùn)行。

　　構(gòu)建可編程憶阻器計(jì)算機(jī)

　　為了構(gòu)建第一臺(tái)可編程憶阻器計(jì)算機(jī)，Lu 的團(tuán)隊(duì)與U-M 的電子和計(jì)算機(jī)工程副教授 Zhengya Zhang 和 Michael Flynn 教授一起設(shè)計(jì)了一個(gè)芯片，可以將憶阻器陣列與編程和運(yùn)行所需的所有其他元件集成在一起。

　　這些組件包括傳統(tǒng)的數(shù)字處理器和通信通道，以及數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，用作模擬憶阻器陣列和計(jì)算機(jī)其余部分之間的解釋器。

　　然后，Lu 的團(tuán)隊(duì)將憶阻器陣列直接集成在U-M 的 Lurie Nanofabrication Facility 的芯片上。他們還開發(fā)了將機(jī)器學(xué)習(xí)算法映射到憶阻器陣列的矩陣結(jié)構(gòu)上的軟件。

　　該團(tuán)隊(duì)使用三種基本機(jī)器學(xué)習(xí)算法演示了該設(shè)備：

　　感知機(jī)(Perceptron)，用于對(duì)信息進(jìn)行分類。能夠 100% 準(zhǔn)確地識(shí)別出不完美的希臘字母

　　稀疏編碼，壓縮并分類數(shù)據(jù)，特別是圖像。計(jì)算機(jī)能夠找到最有效的方法來重建一組圖像，并以 100% 的準(zhǔn)確度識(shí)別出其模式

　　雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，旨在尋找復(fù)雜數(shù)據(jù)中的模式。這個(gè)雙層網(wǎng)絡(luò)在乳腺癌篩查數(shù)據(jù)中找到了共性和差異因素，然后將每個(gè)病例分類為惡性或良性，準(zhǔn)確率為 94.6%

　　擴(kuò)展商業(yè)用途存在挑戰(zhàn)。但 Lu 計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。該研究的標(biāo)題是“完全集成的可重編程憶阻器-CMOS 系統(tǒng)，用于高效的乘法累加運(yùn)算。”
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