2024年10月2日，TDK株式會(huì)社（TSE：6762）宣布其已成功研發(fā)出一款超低能耗的神經(jīng)形態(tài)元件——自旋憶阻器。通過模擬人腦高效節(jié)能的運(yùn)行模式，該元件可將人工智能（AI）應(yīng)用的能耗降至傳統(tǒng)設(shè)備的百分之一。與法國研究機(jī)構(gòu)原子能和替代能源委員會(huì)（CEA）合作，TDK證明了其“自旋憶阻器”可以作為神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的基本元件。今后，TDK將與日本東北大學(xué)創(chuàng)新集成電子系統(tǒng)研發(fā)中心合作開展此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際開發(fā)工作。

配備TDK自旋憶阻器的陶瓷封裝

近年來，隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型（DX）持續(xù)推進(jìn)，預(yù)計(jì)利用大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的能源消耗將大幅增加，并致使某些問題更加突出——例如與海量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理有關(guān)的復(fù)雜性以及不斷增加的、與AI發(fā)展有關(guān)的電力消耗等。TDK將持續(xù)努力，致力解決此類社會(huì)和環(huán)境問題。

人腦的運(yùn)行功耗約為20W，這使得其能夠做出比現(xiàn)有數(shù)字AI處理器更加復(fù)雜的決策，但功耗要低得多。因此，TDK的目標(biāo)是研發(fā)出一款能夠以電子方式模擬人腦突觸的設(shè)備：憶阻器。傳統(tǒng)存儲(chǔ)元件以數(shù)字0或1的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而“自旋憶阻器”則可以用作模擬存儲(chǔ)元件，與人腦相仿。如此，該元件便能以超低能耗運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算。盡管神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的憶阻器并非新生事物，但它們都面臨著各式各樣的問題，如電阻隨時(shí)間變化、難以控制數(shù)據(jù)的精確寫入以及需要實(shí)施控制措施以確保數(shù)據(jù)得以保留等。TDK的“自旋憶阻器”成功解決了這些問題，且有望通過減少現(xiàn)有設(shè)備的漏電流問題，降低電力消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)免受環(huán)境變化影響和長期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖 配備4個(gè)陶瓷封裝的AI電路板

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，TDK于2020年開始與CEA合作。在CEA的支持下，我們成功研發(fā)出一款配備“自旋憶阻器”（3個(gè)元件 x 2組x4個(gè)芯片）的AI電路，并通過聲分離演示驗(yàn)證其能夠成功運(yùn)行，充分證明“自旋憶阻器”可以作為AI電路的基本元件。在前述演示過程中，即使以任意比例混合三種類型的聲音（音樂、演說和噪聲），電路始終能夠?qū)崟r(shí)學(xué)習(xí)并分離此三種聲音。在一般的機(jī)器學(xué)習(xí)過程中，AI運(yùn)行是基于AI模型此前受訓(xùn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，但TDK的設(shè)備卻具備在不斷變化的環(huán)境中實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的獨(dú)特能力。

既已證實(shí) “自旋憶阻器”可以用作神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的基本元件，TDK將把這一項(xiàng)目從基礎(chǔ)研發(fā)階段推進(jìn)到下一階段，即實(shí)際應(yīng)用階段。該產(chǎn)品的生產(chǎn)制造需要集成半導(dǎo)體和自旋電子制造工藝。TDK在制造與憶阻器類似的MRAM產(chǎn)品的過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一集成，此次決定攜手MRAM研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)——日本東北大學(xué)，合作開展集成技術(shù)研發(fā)。

CEA高級研究員Marc Duranton博士評論道：“TDK和CEA之間有著驚人的協(xié)同效應(yīng)，雙方特長相輔相成，共同促進(jìn)了極具創(chuàng)造性和建設(shè)性的合作。此次雙方開展的合作研究為研發(fā)更加可持續(xù)、可靠和高效的解決方案開創(chuàng)了新局面，以滿足不斷增長的現(xiàn)代AI應(yīng)用需求。”

日本東北大學(xué)CIES主任遠(yuǎn)藤哲郎博士評論道：“對未來信息化社會(huì)而言，AI半導(dǎo)體至關(guān)重要，而提高AI處理能力和降低電力消耗等社會(huì)問題亟待解決。為解決這一社會(huì)需求，TDK融合憶阻器和自旋電子學(xué)技術(shù)的AI半導(dǎo)體研發(fā)項(xiàng)目尤為重要。我們將運(yùn)用日本東北大學(xué)的學(xué)術(shù)知識(shí)以及12英寸原型產(chǎn)線的制造技術(shù)，為該項(xiàng)目提供最大支持。”

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