作為模擬人類大腦處理信息的計算技術(shù)，神經(jīng)形態(tài)計算被認為是實現(xiàn)通用人工智能的重要方向之一。

它與傳統(tǒng)的計算技術(shù)相比，最主要的一個區(qū)別在于其擺脫馮·諾依曼架構(gòu)存算分離的枷鎖，追求人腦神經(jīng)元的高效整合形式，將數(shù)據(jù)存儲和處理的功能集中在相同的計算單元上，從而可以能效更高、性能更好、速度更快地進行數(shù)據(jù)的處理，因此頗受人工智能領(lǐng)域的關(guān)注。其中，一種名為“憶阻器”的硬件元件是神經(jīng)形態(tài)計算實現(xiàn)的關(guān)鍵。簡單來說，憶阻器即同時兼?zhèn)溆洃浐?a target="_blank">電阻的功能。

尤其是在人工智能算法的運行過程中，一旦將數(shù)據(jù)存入硬盤而不是系統(tǒng)內(nèi)存中，計算速度就會成百倍地降低，電源消耗也會成百倍地增長。即使所有數(shù)據(jù)都能夠存儲在內(nèi)存中，現(xiàn)有的中央處理芯片也需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)在內(nèi)存和中央處理器之間的來回存取過程，會消耗大量的時間和電力能源。

針對這一問題，諸多的芯片公司、初創(chuàng)公司和科學(xué)家們投入了大量的時間和資金，來研究如何將計算機中的運算從中央處理器轉(zhuǎn)入內(nèi)存中進行，這種方法也被稱為存算一體化。這一方式不僅可以提升計算速度，也可以減少計算功耗。

存算一體架構(gòu)對于需要處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景如 AI 非常有吸引力，理想的存算一體架構(gòu)能把整個 AI 模型存在芯片上并直接在存儲單元上運行。這樣可以徹底舍棄外置存儲單元如 DRAM，以極大地提高芯片的功耗比和處理量。現(xiàn)有和正在研發(fā)的解決方案大概有以下幾種：

1. 使用現(xiàn)有的存儲技術(shù)比如 SRAM，這種方案比較成熟，被很多初創(chuàng)公司和科研機構(gòu)所采用。但是，由于 SRAM 密度和功耗的限制，它只能用在很小的“玩具模型（toy model）”上。大的模型還需要將參數(shù)儲存在外置的 DRAM 上，整個系統(tǒng)的功耗比會因此迅速下降。

2. 新型的非易失性存儲器（non-volatile memory， NVM）比如 RRAM、STT-MRAM，這個方向同樣有很多公司感興趣。這類嵌入式 NVM 有希望實現(xiàn)整個模型的片上存儲，但其局限是，模型的運算還需要通過中央處理器 CPU，并不能徹底解決數(shù)據(jù)傳輸比如總線的堵塞問題。

3. 真正意義上的存算一體結(jié)構(gòu)會盡量避免使用 CPU，而通過嵌入的 NVM 直接做運算。其中的困難在于，怎么解決使用存儲單元做運算帶來的模擬信號的誤差問題，以及怎么實現(xiàn)足夠精度和高效的模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。

在人工智能和深度學(xué)習(xí)算法中， 核心運算主要是大量的向量-矩陣乘法（Vector-Matrix Multiplication, VMM）。由于基于憶阻器陣列的芯片使用了模擬電路而非數(shù)字電路，使得其對于 VMM 的計算是非常高效的，并且已經(jīng)在多項研究中顯示出在人工智能計算領(lǐng)域中的潛力。

而在通用性的驗證上，團隊使用憶阻器陣列芯片，實現(xiàn)了三種人工智能的算法。首先是稱為“感知器”（perceptron）的著名機器學(xué)習(xí)算法，該算法也是最為常見的用來進行信息分類的機器學(xué)習(xí)算法之一。團隊用這款芯片成功地實現(xiàn)了單層感知器的運算，并將其用來識別希臘字母的有噪圖片。

這款芯片實現(xiàn)的另一種更復(fù)雜的算法是“稀疏編碼”（sparse coding）算法。這種算法通過比較神經(jīng)元來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，剔除無效的神經(jīng)元，找出最優(yōu)的神經(jīng)元連接方式，進而針對目標(biāo)找出最優(yōu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以用來有效地進行特征提取、數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)分類等工作。

最后，這款芯片實現(xiàn)的是雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，用來識別和判斷乳房腫瘤圖像。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的第一層使用主成分分析方法，來自主識別圖像中的特征，第二層使用感知器來進一步判斷圖像中的腫瘤是否是惡性的。這種算法在這款芯片上運行的準確率可以高達 94.6%，這一結(jié)果已經(jīng)非常接近在傳統(tǒng)芯片上運行得到的 96.8% 的準確率。這一細微差距，主要是憶阻器元件在分類邊界上的電荷不確定性造成的。

當(dāng)然，這款憶阻器芯片仍有很大的優(yōu)化和提升空間。IEEE Spectrum 稱，他們在芯片中使用了 40 年前的 180 納米的晶體管，而如果使用 2008 年 40 納米的晶體管技術(shù)， 就可以將功耗繼續(xù)降低至 42 毫瓦，并可將計算效率提高至每秒每瓦特 1.37 萬億次運算。相較而言，英偉達的最新人工智能芯片使用的是更為先進的 2014 年的晶體管制造工藝。