近日，《nature》雜志更新了兩則最新研究，明尼蘇達大學(xué)團隊研究出計算隨機存取存儲器CRAM，可以極大地減少人工智能（AI）處理所需的能量消耗；斯坦福大學(xué)的研究人員則在芯片上設(shè)計開發(fā)出一臺微型的鈦藍寶石 (Ti:Sa) 激光器，可用于未來的量子計算機、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域。

明尼蘇達大學(xué)研究出計算隨機存取存儲器CRAM

近期，《nature》雜志的同行評議科學(xué)期刊《npj Unconventional Computing》發(fā)布了一項名為計算隨機存取存儲器（Computational Random-Access Memory, CRAM）的最新研究，該新技術(shù)能夠極大地減少人工智能（AI）處理所需的能量消耗。

圖片來源：《nature》截圖

據(jù)悉，這項技術(shù)由明尼蘇達大學(xué)雙城分校的一組工程研究人員開發(fā)，該校電氣與計算機工程系博士后研究員、論文第一作者楊呂表示，這項工作是 CRAM 的首次實驗演示，其中數(shù)據(jù)可以完全在存儲器陣列內(nèi)處理，而無需離開計算機存儲信息的網(wǎng)格。

國際能源署（IEA）于2024年3月發(fā)布了全球能源使用預(yù)測，預(yù)測人工智能的能源消耗可能會從2022年的460太瓦時（TWh）增加一倍至2026年的1,000 TWh。這大致相當(dāng)于日本整個國家的電力消耗。

目前，隨著人工智能應(yīng)用需求的不斷增長，許多研究人員一直在尋找方法來創(chuàng)建更節(jié)能的流程，同時保持高性能和低成本。通常機器或人工智能流程在邏輯和內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)會消耗大量的電力和能源。

據(jù)悉，這項研究已經(jīng)進行了二十多年，其最早可以追溯到電氣與計算機工程系教授王建平在使用MTJ（磁隧道結(jié)）納米設(shè)備進行計算方面的開創(chuàng)性工作。“我們20年前直接使用存儲單元進行計算的最初想法被認(rèn)為是瘋狂的”，該論文的資深作者、明尼蘇達大學(xué)電氣與計算機工程系杰出 McKnight 教授兼 Robert F. Hartmann主席王建平 (Jian-Ping Wang) 表示。

2022年1月3日，明尼蘇達大學(xué)理工學(xué)院宣布，明大“Distinguished McKnight University Professor”王建平博士當(dāng)選美國國家發(fā)明家科學(xué)院（National Academy of Inventors - NAI）院士。

MTJ器件是一種納米結(jié)構(gòu)器件，這是一種利用磁性材料實現(xiàn)存儲的新興技術(shù)。在王建平的專利 MTJ研究的基礎(chǔ)上，這個團隊開發(fā)出了磁性RAM (MRAM)，目前這種技術(shù)已用于智能手表和其他嵌入式系統(tǒng)。在CRAM中，MTJ不僅僅用于存儲數(shù)據(jù)，還被用來執(zhí)行計算任務(wù)。通過精確控制MTJ的狀態(tài)，可以實現(xiàn)諸如AND、OR、NAND、NOR和多數(shù)邏輯運算等基本邏輯操作。

CRAM技術(shù)采用了高密度、可重構(gòu)的自旋電子（spintronic）計算基底，直接嵌入到內(nèi)存單元中。與三星的PIM技術(shù)相比，CRAM技術(shù)使數(shù)據(jù)無需離開內(nèi)存即可進行處理，消除了數(shù)據(jù)在內(nèi)存單元與處理單元之間的長距離傳輸。CRAM通過消除數(shù)據(jù)在內(nèi)存和處理單元之間的移動，顯著降低了能耗。此外，由于CRAM的計算直接發(fā)生在內(nèi)存中，它還提供了更好的隨機訪問能力、可重構(gòu)性以及大規(guī)模并行處理能力。

CRAM 架構(gòu)實現(xiàn)了真正的在內(nèi)存中進行計算，打破了傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)中計算與內(nèi)存之間的瓶頸——馮·諾依曼架構(gòu)是一種存儲程序計算機的理論設(shè)計，是幾乎所有現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)。

CRAM技術(shù)展現(xiàn)了巨大的潛力，尤其是在機器學(xué)習(xí)、生物信息學(xué)、圖像處理、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和邊緣計算等領(lǐng)域。例如，一項基于CRAM的機器學(xué)習(xí)推理加速器的研究表明，它在能量延遲乘積方面的性能比現(xiàn)有技術(shù)提高了大約1000倍。此外，CRAM在執(zhí)行MNIST手寫數(shù)字分類任務(wù)時，能耗和時間分別降低了2500倍和1700倍。

當(dāng)下CRAM技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力，但其真實計算能力的局限在于連續(xù)CRAM數(shù)組內(nèi)部。任何需要跨越不同CRAM數(shù)組的數(shù)據(jù)訪問和計算都會增加額外的數(shù)據(jù)移動開銷。未來，研究人員仍需應(yīng)對可擴展性、制造和與現(xiàn)有硅片集成方面的挑戰(zhàn)。他們已計劃與半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者進行演示合作，以幫助將CRAM變成商業(yè)現(xiàn)實。

高能激光芯片設(shè)備研究有新突破！

近日，斯坦福大學(xué)的研究人員在芯片上設(shè)計開發(fā)出一臺微型的鈦藍寶石 (Ti:Sa) 激光器，相關(guān)研究已于6月26日更新在《nature》雜志上。原型機的體積僅為傳統(tǒng)傳統(tǒng)鈦寶石激光器的萬分之一，而生產(chǎn)成本也僅有原來的千分之一?？傮w而言，新設(shè)備同時解決了體積大、價格高等挑戰(zhàn)，而且在規(guī)模效率方面也具有優(yōu)勢。

目前傳統(tǒng)激光器成本高達10萬美元。但科學(xué)家認(rèn)為，采用雜志上提及的最新方法，每臺激光器的成本可能會降至100美元。他們還聲稱，未來可以在一塊四英寸晶圓上安裝數(shù)千臺激光器，而每臺激光器的成本將降至最低。這些小型激光器可用于未來的量子計算機、神經(jīng)科學(xué)，甚至微觀手術(shù)。

圖片來源：《nature》截圖

實驗性激光依賴于兩個關(guān)鍵過程。首先，他們將藍寶石晶體研磨成厚度僅為幾百納米的一層。然后，他們制作出一個由微小脊線組成的旋渦，并用綠色激光筆照射其中。隨著旋渦的每次旋轉(zhuǎn)，激光的強度都會增加。“最棘手的部分之一是平臺的生產(chǎn)，”這項研究的共同第一作者、斯坦福大學(xué)博士生Joshua Yang告訴《生活科學(xué)》。“藍寶石是一種非常堅硬的材料。當(dāng)你研磨它時，它常常不喜歡它，它會破裂，或者損壞你用來研磨的東西。”

激光的強度通過晶體表面的一系列渦流增加
（圖源：Joshua Lang 等人，《自然》雜志）

該學(xué)術(shù)團隊對這項技術(shù)十分看好，主要原因在于這臺最新激光器可以調(diào)節(jié)到不同的波長；具體來說，從 700 到 1,000 納米，或從紅光到紅外光。楊教授以固態(tài)量子比特為例，指出這對于原子研究人員來說至關(guān)重要。“這些原子系統(tǒng)需要不同的能量（才能從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)），”他說。“如果你購買的激光器增益帶寬較小，而另一種過渡超出了該帶寬，那么你就必須購買另一種激光器來解決該問題。”

目前， Joshua Yang和他的同事已創(chuàng)建了一家名為Brightlight Photonics 的公司，以實現(xiàn)這項技術(shù)商業(yè)化。

封面圖片來源：拍信網(wǎng)