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生活中我们口袋里的手机、手腕上的手表、甚至汽车里的导航仪它们功能强大形态却始终受制于坚硬的硅基芯片。
如果想要让电子设备像创可贴一样贴在手背监测心率或者像保鲜膜一样附着在机器人的关节上就需要打破这种物理限制。
我们需要一种既能像纸一样弯曲又能像电脑一样思考的芯片。
清华大学集成电路学院任天令教授团队在这一领域迈出了关键一步。
他们研发出的FLEXI柔性芯片不仅薄如蝉翼、能够随意卷曲还具备了真正的智能。
这项成果登上了《自然》杂志。
团队通过全新的架构设计让柔性电子不再是传导信号的电线而是变成了能够独立处理数据的大脑。
打破传统硅基芯片的物理法则半导体行业的基石长期以来建立在单晶硅之上。
这种材料经过几十年的工艺打磨能够容纳数十亿个晶体管运算速度极快但非常脆。
一旦基底弯曲精密的电路结构就会瞬间断裂。
为了制造能弯曲的芯片科学家们转向了铟镓锌氧化物等材料制成的薄膜晶体管TFT。
这种技术并不陌生我们手机屏幕背后的驱动电路往往就采用类似的柔性工艺。
通过特殊的制造流程芯片可以像印刷品一样被制造在塑料薄膜上。
制造出柔性晶体管只是第一步。
以往的柔性芯片运算频率极低且大多采用老旧的计算架构数据需要在存储器和处理器之间来回搬运导致柔性芯片根本无法运行复杂的人工智能算法。
FLEXI芯片的出现改变了这一现状。
这款芯片基于低温多晶硅LTPS工艺制造。
研究团队在厚度极薄的柔性基板上成功集成了约
2
5万个晶体管。
在柔性基底上制造大规模电路极易出现坏点但FLEXI实现了约70%到92%的电路良率让这种高科技芯片完全具备了大规模量产的潜力。
更令人惊讶的是它的成本。
单枚芯片的成本控制在了一美元以下。
低廉的价格让未来的医疗贴片、智能包装成为了一次性可抛弃的日常用品而不再是昂贵的实验室展品。
让计算发生在数据存储的地方FLEXI抛弃了冯·诺依曼架构束缚采用了数字存内计算Compute-in-Memory的先进架构跑得更快、而且耗能低。
研究团队设计了一种特殊的SRAM单元并在其中嵌入了可重构的本地处理单元RLPU。
这种设计让数据无需频繁搬运直接在存储单元内部就能完成神经网络中最核心的乘加运算。
这种架构带来了惊人的性能提升。
FLEXI的时钟频率达到了
1
5 MHz。
对于习惯了GHz级别电脑CPU的人来说这个数字可能显得微不足道但在柔性电子领域这是一个数量级的飞跃。
它比之前的柔性计算方案快了太多足以支撑起实时的智能运算。
在能效方面FLEXI的功耗低至
52 mW。
相比于传统的同步CPU其能量-延迟积降低了3到4个数量级。
一块小小的纽扣电池甚至未来通过环境采集的微弱电能就足以驱动这枚芯片长时间工作。
为了适配这种硬件团队还运用了量化感知训练策略。
简单来说就是把庞大的人工智能模型进行瘦身和再教育让它能够适应芯片的计算特性。
通过这种软硬件的紧密配合FLEXI能够高效地支持神经网络推理中的单指令多数据SIMD运算让计算效率最大化。
研究团队针对不同芯片容量设计了一组轻量级神经网络模型实现权重的片上一次性部署。
这些模型可在FLEXI芯片上高效处理心电信号、语音、图像以及多模态生理信号等多种数据类型即使在最小规模的FLEXI-1芯片上也可稳定运行。
只有经得起折腾才是真柔性柔性芯片的应用环境往往非常恶劣。
它可能贴在不断跳动的心脏表面也可能附着在每分钟数百次弯折的机械臂关节上。
如果芯片很聪明但很娇气那就毫无实用价值。
研究人员对芯片进行了极其严苛的物理测试。
他们将芯片卷曲到半径仅为1毫米的程度这几乎相当于把芯片对折成一条线。
在这样的极端状态下FLEXI经受了超过40,000次的弯折循环。
结果显示即便经过如此剧烈的机械折磨芯片的性能也没有出现明显的退化。
它可以连续进行10的10次方100亿次固定和随机乘法运算期间没有发生一次计算错误。
这种稳定性源于团队采用的工艺-电路-算法跨层级协同优化CLCO策略。
他们在设计之初就考虑到了柔性材料在受力时可能产生的晶体管参数漂移。
通过在电路层面设计冗余和补偿机制在算法层面增强鲁棒性FLEXI仿佛练就了一身金钟罩在物理形态发生改变时依然能保持逻辑思考的清晰。
除了耐弯折它还很耐用。
实验表明这款芯片在长达6个月的时间里保持了稳定的性能。
对于一款面向医疗健康和长期监测设备的芯片来说这种长期可靠性是其走出实验室、迈向商业化的关键通行证。
一次贴合实现全天候智能守护团队展示了它在两个极具代表性的场景中的应用心律失常检测和日常活动监测。
在心律失常检测任务中团队在仅有1kb容量的FLEXI-1芯片上部署了一个轻量级的神经网络。
这采用了一种一次性片上部署的技术。
传统的AI芯片往往需要反复写入权重数据这不仅慢而且费电。
FLEXI则可以让模型像刻在脑子里一样一次写入后便长期驻留。
依靠这种机制FLEXI能够直接处理心电信号判断是否存在心律异常。
实验结果显示其检测准确率高达
9
2%。
这相当于把一位经验丰富的心脏科医生的诊断能力压缩进了一枚薄薄的贴片里。
患者只需贴上这个柔性贴片就能实现全天候的实时心脏监护一旦发现异常立即预警无需将隐私数据时刻传回云端。
在另一个实验中团队利用FLEXI进行人类日常活动监测。
他们收集了受试者的心率、呼吸频率、体温和皮肤水分等多模态生理信号。
这些复杂的混合数据被送入芯片上的四通道卷积神经网络中进行处理。
FLEXI能够精准识别受试者是在休息、走路还是在进行其他活动分类准确率达到了
9
4%。
这种多模态感知与计算能力为未来的智能可穿戴设备描绘了全新的图景你的衣服、你的护腕甚至你皮肤上的纹身贴都能理解你的身体状态。
柔性电子技术的发展长期以来一直在能感知和能思考之间存在断层。
我们制造出了各种柔软的传感器却缺一颗柔软的大脑来处理这些数据。
FLEXI的出现填补了这块拼图。
它证明了在柔性基底上实现高性能、高能效、高可靠性的数字存内计算是完全可行的。
这项技术让电子设备不再受限于刚性的外壳它们可以无感地贴合在我们的皮肤上附着在物体表面融入周围的环境。
当芯片变得像创可贴一样便宜、像纸一样柔软、像大脑一样聪明时我们与数字世界的交互方式或将被彻底重塑。
这枚来自中国实验室的柔性芯片正在将智能柔性电子低成本带入我们的生活。
参考资料https://www.bnrist.tsinghua.edu.cn/info/1107/