人类历史上第一个可编程忆阻器计算机诞生!

科技 2019-12-23 22:34 阅读:41

新智元导读人类历史上,第一个可编程忆阻器计算机诞生,不再需要将语音命令发送到云端进行解释,直接在智能手机上通过 AI 处理器完成,极大的加快响应时间。在一些更加注重私密性的场景比如医疗设备中,具有更好的安全性和隐私性。

你有没有想过,智能手机将来也有可能直接处理复杂的人工智能任务?关键在它:人类历史上,第一个可编程忆阻器计算机。

不仅仅是通过外部计算机操作的忆阻器阵列,密歇根大学的这个可编程忆阻器计算机,可以直接在小型、能量受限的设备(如智能手机和传感器)上处理人工智能任务。

也就是说,在未来,不再需要将语音命令发送到云端进行解释,直接在智能手机上通过 AI 处理器完成,极大的加快响应时间。在一些更加注重私密性的场景比如医疗设备中,能够实现更好的安全性和隐私性。

人工智能强大的算力带来的负面影响之一就是巨额的能耗。每个人都希望在智能手机上安装 AI 处理器,但你肯定不希望手机一天充电 12 次。

为什么忆阻器有利于机器学习

这里提到的忆阻器的高级计算机组件,是具有存储器、可变电阻的电阻器,可用作信息存储。

由于忆阻器在同一位置存储和处理信息,因此它们可以解决掉计算速度及功耗的—内存和处理器之间的连接。

这对于处理大量数据的机器学习算法尤其重要,例如识别照片和中的对象,或预测哪些医院患者具有较高的感染风险。

如今,程序员已经习惯于在图形处理单元(GPU)而不是 CPU 上运行这些算法。

“就功率和吞吐量而言,GPU、定制的优化数字电路被认为比 CPU 好 10 到 100 倍。”Lu 说。“忆阻器 AI 处理器可能会再好上 10 到 100 倍。”

GPU 在机器学习任务中表现优秀,因为它们有数千个小核心可以同时运行计算。忆阻器阵列则更进一步,每个忆阻器都能够独立进行计算,一个内核里可以一次性执行数千次操作。

本次用于实验的计算机拥有超过 5800 个忆阻器。而用于商业的话,可能包括数百万个。

忆阻器阵列特别适合解决机器学习任务,这是因为机器学习算法将数据转换为向量。例如,预测患者在医院的感染风险时,该向量可以将存在感染风险的因素以数字表示列出。

机器学习算法将这些“输入”向量,与在存储器中的“特征”向量进行比较。如果匹配,则知道输入数据具有该特征。向量存储在矩阵中,类似于数学电子表格,这些矩阵可以直接映射到忆阻器阵列上。

更重要的是,当数据通过阵列反馈时,大部分数学处理通过忆阻器中的自然电阻发生,消除了将特征向量移入和移出存储器而导致的额外计算。这使得阵列在复杂的矩阵计算中非常高效。

早期的研究证明了忆阻器阵列有可能加速机器学习,但它们需要外部计算元件才能运行。

构建可编程忆阻器计算机

为了构建第一台可编程忆阻器计算机,Lu 的团队与U-M 的电子和计算机工程副教授 Zhengya Zhang 和 Michael Flynn 教授一起设计了一个芯片,可以将忆阻器阵列与编程和运行所需的所有其他元件集成在一起。

这些组件包括传统的数字处理器和通信通道,以及数字/模拟转换器,用作模拟忆阻器阵列和计算机其余部分之间的解释器。

Lu 的团队将忆阻器阵列直接集成在U-M 的 Lurie Nanofabrication Facility 的芯片上。他们还了将机器学习算法映射到忆阻器阵列的矩阵结构上的软件。

该团队使用三种基本机器学习算法演示了该设备:

感知机(Perceptron)用于对信息进行分类。能够 100% 准确地识别出不完美的希腊字母

稀疏编码,压缩并分类数据,特别是图像。计算机能够找到最有效的方法来重建一组图像,并以 100% 的准确度识别出其模式

双层神经网络,旨在寻找复杂数据中的模式。这个双层网络在癌筛查数据中找到了共性和差异因素,将每个病例分类为恶性或良性,准确率为 94.6%

扩展商业用途存在。但 Lu 计划将这项技术商业化。该研究的标题是“完全集成的可重编程忆阻器-CMOS ,用于高效的乘法累加运算。”

本文相关词条概念解析:

计算机

计算机(Computer),俗称电脑,是一种能够按照事先存储的程序,自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。由硬件和软件所组成,两者是不可分割的。人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。随着科技的发展,现在新出现一些新型计算机有:生物计算机、光子计算机、量子计算机等。1954年5月24日,晶体管电子计算机诞生。1969年10月29日,通过ARPANET,首次实现了两台计算机的互联。计算机发明者约翰·冯·诺依曼。计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一,对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响,并以强大的生命力飞速发展。计算机的应用在中国越来越普遍,改革开放以后,中国计算机用户的数量不断攀升,应用水平不断提高,特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用取得了不错的成绩。1996年至2009年,计算机用户数量从原来的630万增长至6710万台,联网计算机台数由原来的2.9万台上升至5940万台。互联网用户已经达到3.16亿,无线互联网有6.7亿移动用户,其中手机上网用户达1.17亿,为全球第一位。