清華集成電路學(xué)院高濱：一種基于存算一體技術(shù)的類腦聲音定位方法

近日
，清華大學(xué)集成電路學(xué)院的高濱副教授課題組在《自然?通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表了題為“Memristor-Based Analogue Computing for Brain-Inspired Sound Localization with in situ training”的研究論文，提出了一種基于存算一體技術(shù)的類腦聲音定位方法
。面向定位任務(wù)的計(jì)算需求，提出了多閾值更新策略，緩解了憶阻器非理想因素帶來的精度損失。在集成規(guī)模為1K的憶阻器陣列中，課題組成功演示了聲音定位的在線訓(xùn)練
，實(shí)現(xiàn)了兩個數(shù)量級的能耗降低 。

圖1 類腦存算一體聲音定位示意圖

對生物大腦定位能力的模仿
 ，常被應(yīng)用于車輛檢測、虛擬聽覺系統(tǒng)等場景。隨著摩爾定律逐漸放緩，傳統(tǒng)硬件平臺難以滿足實(shí)時定位場景中不斷增長的算力需求。近年來備受關(guān)注的存算一體類腦計(jì)算技術(shù)，能夠大幅度減少數(shù)據(jù)在存儲與計(jì)算單元之間的傳輸開銷，有望突破存儲墻瓶頸的限制，實(shí)現(xiàn)算力的大幅提升 。然而 ，與分類任務(wù)不同，定位任務(wù)的輸入信息和檢測位置均為連續(xù)值，對計(jì)算硬件平臺自身非理想因素的容忍度較低。迄今為止，如何高效實(shí)現(xiàn)聲音定位一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問題 。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院的高濱副教授課題組利用憶阻器的連續(xù)電導(dǎo)調(diào)制特性
，構(gòu)建了一種基于憶阻器陣列的新型類腦計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于聲音定位任務(wù) ：網(wǎng)絡(luò)包含60個輸入神經(jīng)元和7個輸出神經(jīng)元 ，輸入 、輸出信息分別為雙耳接收的聲波信號和范圍在-90度到90度之間的方位角，所有輸出層神經(jīng)元共同決定了預(yù)測角度。

圖2 受大腦機(jī)制啟發(fā)，基于憶阻器陣列的聲音定位網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)方案

傳統(tǒng)的憶阻器編程策略雖然能夠大幅度降低在線訓(xùn)練的硬件開銷，但是難以滿足定位任務(wù)的精度需求。為克服這一問題，課題組提出了一種容忍憶阻器離散性的多閾值更新策略。在權(quán)重更新過程中，引入了多個判斷閾值，根據(jù)權(quán)重更新值所處的區(qū)間，施加對應(yīng)個數(shù)的操作脈沖。分析結(jié)果顯示，多閾值更新策略實(shí)現(xiàn)了聲音網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練精度和硬件開銷之間的平衡。

圖3 兼顧憶阻器特性與硬件開銷的多閾值更新策略

課題組在1K規(guī)模的TiN/TaOy/HfOx/TiN憶阻器陣列中，針對CIPIC HRTF數(shù)據(jù)集樣本，成功演示了聲音定位任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ，相比傳統(tǒng)訓(xùn)練方案，采用多閾值更新策略后的網(wǎng)絡(luò)檢測精度提升了大約45.7% 。此外，與先前CMOS ASIC方案的對比結(jié)果顯示，該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)較高定位精度的同時，展現(xiàn)出184倍的能耗優(yōu)勢 。本工作為實(shí)現(xiàn)低能耗、高性能的類腦定位系統(tǒng)提供了新的解決方案。

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