探索記憶電阻 創(chuàng)新人工智能
——記北京大學信息科學技術(shù)學院微納電子學研究院助理研究員黃鵬

倪海波

博士畢業(yè)照

阿里達摩院在2020年1月發(fā)布了《2020十大科技趨勢》報告，其中第二大趨勢為“計算存儲一體化突破AI算力瓶頸”。報告指出：“數(shù)據(jù)存儲單元和計算單元融為一體，能顯著減少數(shù)據(jù)搬運，極大提高計算并行度和能效。計算存儲一體化在硬件架構(gòu)方面的革新，將突破AI算力瓶頸。”

現(xiàn)有的研究證明，憶阻器可替代經(jīng)典計算機底層的晶體管，把馮·諾伊曼架構(gòu)里的處理、內(nèi)存、外存都融合在一起，構(gòu)建存算一體陣列，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計算設(shè)備的算力，突破傳統(tǒng)計算框架“馮·諾依曼瓶頸”的限制。但現(xiàn)實遠比理想骨感，想要制備具有高一致性、高可靠性的多值憶阻器陣列十分困難。

北京大學信息科學技術(shù)學院微納電子學研究院助理研究員黃鵬敏銳地意識到，憶阻器潛力遠遠不止如此，就像當年晶體管替代電子管一樣，憶阻器可能給信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)帶來顛覆性變化，可能給國家和軍隊帶來搶占信息技術(shù)未來制高點的重大戰(zhàn)略機遇。如果朝這條路發(fā)展下去的話，或許能再一次延續(xù)摩爾定律的生命，誕生出新一代的智慧機器人。

一切從興趣出發(fā)

黃鵬總能想起2011年的某個深夜，北大的校園里已經(jīng)沒有什么人了，微納電子學研究院的辦公室卻還亮著燈，他正在熬夜修改自己的第一篇會議文章，這也是他第一次參加行業(yè)最頂級的會議，導師劉曉彥教授在旁邊耐心、細心、認真地指導他?！暗谝淮螌懞翢o經(jīng)驗，deadline（截止時間）也快到了，很著急?！秉S鵬回憶道，導師劉曉彥教授幾乎是手把手地教他如何畫圖、如何更清楚地表達文章的意思、如何做一場好的報告，最后陪著他熬了好幾個通宵。多年以后，那些和老師一起通宵的夜晚，還是會讓黃鵬感動不已，他也慶幸選擇了感興趣的方向——微電子學，一路走來，有了一些成果。

黃鵬的大學4年是在西安電子科技大學度過的，學的是電子科學技術(shù)專業(yè)。學校給出的培養(yǎng)方案是在前兩年學習電子科學技術(shù)的通用課程，從第3年開始分方向選課。“電子科學技術(shù)是個一級學科，下面有4個二級學科，其中就有微電子學與固體電子學?！痹诘?年選課學習的過程中，黃鵬發(fā)現(xiàn)自己對微電子學方向更感興趣，更多地選擇了微電子學相關(guān)的課程，積累知識，開闊視野。

大三暑假，黃鵬開始著手準備保研的事情，他的成績不錯，收到了北京大學微納電子學研究院的面試通知?！拔耶敃r面試完感覺不是很好，但沒想到老師說題目還是比較難的，我回答得還是很不錯的。”老師的話像一針強心劑給了黃鵬很大的勇氣，他拒絕了其他學校的推免，開開心心地等著9月的開學。

來到北京大學后，黃鵬認認真真地跟著師兄師姐開組會，了解課題組的研究內(nèi)容，一個月后他發(fā)現(xiàn)這些研究跟自己想的有些不一樣。導師劉曉彥教授似乎看出了黃鵬的困惑，主動找他聊天，問他對什么方向感興趣。

當時劉曉彥教授給了黃鵬兩個題目：一個題目是研究石墨烯，另一個題目是研究憶阻器?！皠⒗蠋熯€是比較開明的，不會要求我必須做什么，還是比較尊重我個人的興趣。”黃鵬看著這兩個題目，最后決定等十一假期過完再給老師回復。

10月，恰逢諾貝爾獎頒獎，當年的諾貝爾物理學獎授予了英國曼徹斯特大學的兩位科學家，表彰他們利用透明膠帶制備出二維石墨烯材料。出人意料的是，黃鵬并沒有選擇石墨烯作為自己的研究方向，“我還是想研究自己感興趣的東西”。整個十一假期，黃鵬查閱了數(shù)量可觀的文獻資料，他預感憶阻器會是未來的研究趨勢，所以最后他答復劉曉彥教授：“我想朝著憶阻器這個方向去研究。”

向大腦尋找答案

雖然已經(jīng)決定做憶阻器的研究，但黃鵬之前從未接觸過憶阻器，如何把其中的物理機制描述出來、如何模擬器件變化的電學行為，他沒有任何可以參照的模型，想不出好的方法去做實驗?！昂髞砗驼n題組里做晶體管的同學交流，他們的一些方法讓我很受啟發(fā)，我也嘗試著寫了一些程序，應用到憶阻器上?！?/p>

經(jīng)過啟發(fā)后的黃鵬從零開始建立了鉿基氧化物阻變器件模擬程序，提出了適于電路模擬的阻變器件模型等，相關(guān)成果于2012年、2013年連續(xù)兩年在電子器件領(lǐng)域旗艦會議——IEEE電子器件會議國際會議（IEEE International Electron Devices Meeting）上作為第一完成人發(fā)表，受到斯坦福大學、比利時微電子研究中心（IMEC）等研究機構(gòu)的關(guān)注。

2014年，黃鵬前往美國斯坦福（Stanford）大學做短期訪問學者，在這期間主要從事憶阻行為的HSPICE模型開發(fā)，并被學術(shù)界的同行廣泛采納使用。鑒于黃鵬在新型阻變存儲器（RRAM）模型模擬研究方面所做的出色工作，他獲得2014年美國電氣電子工程師學會下設(shè)的電子器件協(xié)會（IEEE Electron Device Society）博士研究生獎學金（Ph.D.student fellowship）。該協(xié)會每年在全球范圍內(nèi)評選3位獲獎者，以獎勵在相關(guān)領(lǐng)域做出突出成績的在讀博士研究生。

轉(zhuǎn)眼間，黃鵬到了博士的畢業(yè)階段?！皠⒗蠋熀臀艺f，前面都是她給的題目，但是后面的研究我需要自己去思考，這個領(lǐng)域內(nèi)還有哪些關(guān)鍵的科學問題需要去解決，要自己找方向?！睂煹囊幌捵岦S鵬意識到，他還有很長很遠的路要走，不能滿足于目前取得的榮譽，停滯不前。

黃鵬花了很長的時間整理博士前4年的工作，整理完之后，他發(fā)現(xiàn)存內(nèi)計算技術(shù)和類腦計算芯片會是憶阻器領(lǐng)域未來比較重要的研究方向，如果自己繼續(xù)朝著這個方向前進的話，說不定能給這個領(lǐng)域帶來一些新的變化。

2016年，黃鵬以第一作者的身份將論文《面向大規(guī)模信息處理應用的可重構(gòu)非揮發(fā)存儲計算融合架構(gòu)》（Reconfigurable nonvolatile logic operations in resistance switching crossbar array for large-scale circuits）在線發(fā)表于頂級期刊Advanced Materials上。他提出以憶阻器替代當前主流的互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件來實現(xiàn)邏輯計算，構(gòu)建了計算和存儲一體化的新型硬件信息處理系統(tǒng)。其中，憶阻器兼?zhèn)溥壿嬘嬎愫蛿?shù)據(jù)存儲的雙重功能，極大地減少了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各個部分之間的交換，提高了計算效率。

2014年獲得IEEE EDS博士研究生獎學金

“大腦就是存算一體的系統(tǒng)，所以能不能模仿人腦去做一個機器？”黃鵬解釋說，阿爾法圍棋（AlphaGo）擊敗李世石用了176個GPU、1202個CPU，功耗是150000W。而李世石的大腦體積大概是1.2L，有1011個神經(jīng)元，1015個突觸，思考的時候功耗是20W?！按竽X的功耗這么小，這么聰明，這里面還有這么大容量的神經(jīng)元、突觸，給了我們很多啟發(fā)?！睘榇耍S鵬作為研究骨干參與到科技部重點研發(fā)計劃“基于二維材料的電子突觸”項目的研究中，他想通過向大腦尋找答案，看看大腦是如何處理計算的，大腦擁有的神經(jīng)突觸是否能通過仿真技術(shù)做出電子突觸。

授人以漁育學生

2020年是黃鵬在北京大學的第十年，10年聽起來很漫長，但是因為有著老師、朋友、同事的陪伴和鼓勵，他的每一步都走得很穩(wěn)健。

“博士畢業(yè)的時候，我也找過一些企業(yè)的工作，但找了一圈發(fā)現(xiàn)我還是更喜歡科研工作，另外我覺得教書育人是一份很神圣的工作?！秉S鵬覺得把一名學生從初出茅廬培養(yǎng)成科研棟梁，是一個非常有成就感的過程。

但教書育人并不是一個簡單的工作，黃鵬感觸最深的是教育理念的轉(zhuǎn)變?！皠傞_始的時候，我覺得把基本的知識教給學生就可以了?！钡还苁菍焺詮┙淌诘慕虒?，還是北京大學對新老師的培訓，傳達給黃鵬的是，“重要的是教授學習的方法，而不是教具體的知識”。“教給學生具體的知識，學生可能會忘，但是教具體的學習方法，學生基本上都不會忘，而且會用在學習新的知識點上，融會貫通?！惫耪Z云，授人以魚不如授人以漁，黃鵬深深感受到了“捕魚”的方法有多重要。

當被記者問到，北京大學最吸引他的地方在哪里時，黃鵬給出了兩個答案：一是學術(shù)自由的氛圍，二是強烈的批判精神。

對做學術(shù)的人來說，學術(shù)自由是最重要的，黃鵬在北京大學最特別的感受是：“沒有人會和你說必須要做什么，你想做什么都是可以的?！秉S鵬認為學術(shù)自由才能讓自己在科研上得到更大的發(fā)展。同時在學術(shù)自由氛圍的影響下，黃鵬更注重鼓勵學生的思維要無拘無束、天馬行空。

而北京大學強烈的批判精神，對科研幫助更大。“真理是越辯越明，有爭議才有進步，很多時候偉大的發(fā)明必須要有批判的精神才行。”在黃鵬看來，學生不僅要有批判的精神，更要有克服困難的能力?！耙驗橄胍咽虑樽龅接袃r值，做出比較好的成果，一定會遇到困難。”黃鵬經(jīng)常和學生說，如果做一件事情一帆風順，始終沒有遇到任何困難，那說明做的事情沒有任何價值，因為換一個人也能做相同的事情。解決困難的能力，并不是每一個人生來就有的，但困難總是和人不期而遇，如何邁過這個坎，考驗著每一個想要在學術(shù)上攀登頂峰的人。黃鵬堅信，學生遇到困難、解決困難獲得的收獲，永遠要比一帆風順獲得的收獲更多，成長得更快。

“頂天立地”做科研

在過去的10年里，以深度神經(jīng)網(wǎng)絡為代表的人工智能技術(shù)對人類產(chǎn)生了深遠的影響。如何才能更進一步，從弱人工智能跨入強人工智能，叩問著每一個智能研究者的心。

越來越多的科學家意識到，發(fā)展人工智能的關(guān)鍵并非簡單地提高計算能力和增加數(shù)據(jù)，而是如何建立一個類腦的智能模型。黃鵬研究的類腦計算、存算一體就是向生物找答案，向人類大腦找答案，而受到大腦啟發(fā)的硬件設(shè)計，將帶領(lǐng)人工智能走向新的道路。

談到研究、談到未來，黃鵬侃侃而談，目光堅定，但他也經(jīng)歷過一段非常迷茫的時期?！安┦康牡谒哪旰偷谖迥?，是我最迷茫的時候?！痹谀菚r，黃鵬還不能確定最終的研究方向，經(jīng)常是做了兩三個月的工作之后，發(fā)現(xiàn)別人已經(jīng)解決了這個問題，甚至比他做得還好。黃鵬很苦惱，懷疑自己是否適合科研工作，“相當于船在大海迷失了方向，一直在原地打轉(zhuǎn)”。導師劉曉彥教授如此教導黃鵬，“你不能急，越急越找不到合適的方向，尋找方向本身就是一種修煉，你不必擔心最后能否修煉得道，最重要的是你成長的過程”。黃鵬在家人和老師的鼓勵支持下，走出了這段艱難的歲月，找到了自己的前進方向。

十幾年的科研之路，除了一路上家人和師長的支持，對科研的理想和情懷是黃鵬堅持下去的最大動力。課題組的康晉鋒教授曾對黃鵬說，做微電子研究既要“頂天”又要“立地”。所謂“頂天”就是要有科學的理論，做最前沿的學術(shù)研究，掌握這一領(lǐng)域的最新動態(tài)?？禃x鋒教授希望在退休前能建立一套統(tǒng)一的理論，總結(jié)出這些微電子研究領(lǐng)域中許多神奇的物理現(xiàn)象，這也是黃鵬的終極目標。

“立地”是理論能運用，研究成果能落地。黃鵬希望通過目前正在進行的憶阻器項目，與科技公司合作，真正做出一些產(chǎn)品來，能夠把國家在集成電路方面的短板補齊?！拔蚁Ｍ约耗芟皴X學森這樣滿懷報國情的老一輩科學家一樣，為祖國的發(fā)展貢獻出自己的一份力量?！?/p>