“能屈能伸”柔性AI芯片：55.94微瓦超低功耗，4萬(wàn)次彎折性能無(wú)衰減

隨著人工智能與物聯(lián)網(wǎng)、具身智能的深度融合，市場(chǎng)對(duì)輕量、高效、柔性的智能計(jì)算硬件需求日益迫切。傳統(tǒng)基于硅基的剛性芯片因難以貼合人體曲面或復(fù)雜設(shè)備表面，限制了其在可穿戴設(shè)備和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。而現(xiàn)有柔性處理器則普遍受限于低工作頻率、高能耗及缺乏并行計(jì)算能力，難以勝任神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理等數(shù)據(jù)密集型任務(wù)。

近日，中國(guó)科研人員在人工智能與柔性電子技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。

北京時(shí)間1月29日，清華大學(xué)、北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布成功研發(fā)出全柔性人工智能芯片——FLEXI系列。這一成果為可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、柔性機(jī)器人及腦機(jī)接口等前沿智能應(yīng)用提供了關(guān)鍵硬件支撐，標(biāo)志著中國(guó)在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域邁出了重要一步。

技術(shù)突破在哪？

FLEXI芯片的技術(shù)突破體現(xiàn)在多個(gè)方面。首先，其基于低溫多晶硅薄膜晶體管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了芯片的極致輕薄與柔韌性。最小版本的FLEXI-1芯片面積僅31.12平方毫米，集成10628個(gè)晶體管，可在超低功耗模式下運(yùn)行，功耗低至55.94微瓦。

其次，F(xiàn)LEXI芯片采用了以全數(shù)字靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器為核心的“存算一體”架構(gòu)。這一設(shè)計(jì)相當(dāng)于將“記憶單元”和“計(jì)算單元”合二為一，省去了來(lái)回搬運(yùn)數(shù)據(jù)的時(shí)間和能耗，大幅提升了計(jì)算效率。此外，該芯片還支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮與一鍵部署，進(jìn)一步增強(qiáng)了其智能處理能力。

在性能測(cè)試中，F(xiàn)LEXI芯片表現(xiàn)卓越。它可承受超過(guò)4萬(wàn)次180度彎曲（彎曲半徑1毫米）而性能無(wú)衰減，功耗波動(dòng)小于3.5%，并在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的持續(xù)運(yùn)行中保持穩(wěn)定。這些特性使得FLEXI芯片在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人及腦機(jī)接口等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

FLEXI芯片的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛。在可穿戴健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，單個(gè)容量?jī)H1千比特的柔性芯片即可實(shí)現(xiàn)99.2%準(zhǔn)確率的心律失常檢測(cè)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康管理提供了有力支持。在日常活動(dòng)監(jiān)測(cè)中，結(jié)合4通道EDCNN模型，該芯片對(duì)坐、站、走、跑等動(dòng)作分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)97.4%，展現(xiàn)了其在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的潛力。

此外，F(xiàn)LEXI芯片還可應(yīng)用于柔性機(jī)器人和腦機(jī)接口等領(lǐng)域。其超低功耗和高能效特性使得柔性機(jī)器人能夠更長(zhǎng)時(shí)間地自主運(yùn)行，而高魯棒性和低成本則降低了腦機(jī)接口技術(shù)的門(mén)檻，為殘疾人輔助設(shè)備和神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的可能。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院 2021 級(jí)博士生閆岸之、2021 級(jí)碩士生閆澗瀾、2022 級(jí)碩士生沈鵬輝，以及北京大學(xué)集成電路學(xué)院 2023 級(jí)博士生符一涵為論文共同第一作者；清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、清華大學(xué)信息國(guó)家研究中心劉厚方副研究員及北京大學(xué)人工智能研究院燕博南助理教授為共同通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院楊軼副教授等為論文共同作者。清華大學(xué)為本論文的第一單位。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心及北京市自然科學(xué)基金委員會(huì)等機(jī)構(gòu)的支持。