多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)問世
打破算力瓶頸，滿足復(fù)雜任務(wù)的高需求
2月，清華大學(xué)微電子所、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授錢鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者宣布，成功研發(fā)出全球首款多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)，其在處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的能效比圖形處理器芯片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在一定程度上突破了傳統(tǒng)計(jì)算框架的限制，大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，且比傳統(tǒng)芯片的功耗降低100倍。相關(guān)成果發(fā)表于《自然》雜志上。
如何用計(jì)算存儲(chǔ)一體化突破AI算力瓶頸，是近年來國(guó)內(nèi)外的科研熱點(diǎn)。尋找合適的硬件，是提升算力的基礎(chǔ)之一。該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，成功制備出高性能憶阻器陣列。為解決器件非理想特性造成的系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率下降問題，他們提出一種新型的混合訓(xùn)練算法，僅需用較少的圖像樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過微調(diào)最后一層網(wǎng)絡(luò)的部分權(quán)重，就可使存算一體架構(gòu)在手寫數(shù)字集上的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到96.19%。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還提出空間并行的機(jī)制，將相同卷積核編程到多組憶阻器陣列中，各組憶阻器陣列可并行處理不同的卷積輸入塊，提高并行度來加速卷積計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)搭建了全硬件構(gòu)成的完整存算一體系統(tǒng)，在系統(tǒng)里集成了多個(gè)憶阻器陣列，并在該系統(tǒng)上高效運(yùn)行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，成功驗(yàn)證了圖像識(shí)別功能，證明了存算一體架構(gòu)全硬件實(shí)現(xiàn)的可行性。
“基于憶阻器的新型存算一體架構(gòu)，可以打破算力瓶頸，滿足人工智能等復(fù)雜任務(wù)對(duì)計(jì)算硬件的高需求。”團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授吳華強(qiáng)說。
世界首個(gè)人類細(xì)胞圖譜繪制成功
實(shí)現(xiàn)人體細(xì)胞數(shù)字化
浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院郭國(guó)驥教授團(tuán)隊(duì)用自主研發(fā)的分析平臺(tái)，繪制出人類首個(gè)細(xì)胞圖譜。3月26日，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》在線刊登了這項(xiàng)研究成果。
細(xì)胞是生命的基本單位。在過去，科學(xué)家主要利用顯微鏡和流式分析等技術(shù)，依靠若干表型特征對(duì)自然界里不同物種的細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)給這一傳統(tǒng)的細(xì)胞認(rèn)知體系帶來了革命性的變化。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)60種人體組織樣品和7種細(xì)胞培養(yǎng)樣品進(jìn)行了高通量單細(xì)胞測(cè)序分析，系統(tǒng)性地繪制了跨越胚胎和成年兩個(gè)時(shí)期、涵蓋八大系統(tǒng)的人類細(xì)胞圖譜，建立了70多萬(wàn)個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)，鑒定了人體100余種細(xì)胞大類和800余種細(xì)胞亞類，開發(fā)了單細(xì)胞比對(duì)系統(tǒng)，并搭建了人類細(xì)胞藍(lán)圖網(wǎng)站。
郭國(guó)驥介紹，這項(xiàng)工作概括地說就是人體細(xì)胞數(shù)字化。用數(shù)字矩陣描述每一個(gè)細(xì)胞的特征，并對(duì)它們進(jìn)行系統(tǒng)性分類。此外，還定義了許多以前未知的細(xì)胞種類，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的表達(dá)模式。通過人類細(xì)胞圖譜，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，多種成人的上皮、內(nèi)皮和基質(zhì)細(xì)胞也在組織中扮演著免疫細(xì)胞的角色。
此外，通過跨時(shí)期、跨組織的細(xì)胞圖譜分析，團(tuán)隊(duì)揭示了一個(gè)普適性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制：干細(xì)胞和祖細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)混雜且隨機(jī)，而分化和成熟細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)就變得分明且穩(wěn)定，也就是說，細(xì)胞分化經(jīng)歷了一個(gè)從混亂到有序的發(fā)展過程。
該研究首次從單細(xì)胞水平上全面分析了胚胎和成年時(shí)期的人體細(xì)胞種類，研究數(shù)據(jù)將成為探索細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制的資源寶庫(kù)，也將對(duì)人體正常與疾病細(xì)胞狀態(tài)的鑒定帶來深遠(yuǎn)影響。在未來，臨床醫(yī)生有望通過參照正常的細(xì)胞來鑒別異常的細(xì)胞狀態(tài)和起源。
