探索记忆电阻 创新人工智能

倪海波

阿里达摩院在2020年1月发布了《2020十大科技趋势》报告，其中第二大趋势为“计算存储一体化突破AI算力瓶颈”。报告指出：“数据存储单元和计算单元融为一体，能显著减少数据搬运，极大提高计算并行度和能效。计算存储一体化在硬件架构方面的革新，将突破AI算力瓶颈。”

现有的研究证明，忆阻器可替代经典计算机底层的晶体管，把冯·诺伊曼架构里的处理、内存、外存都融合在一起，构建存算一体阵列，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升计算设备的算力，突破传统计算框架“冯·诺依曼瓶颈”的限制。但现实远比理想骨感，想要制备具有高一致性、高可靠性的多值忆阻器阵列十分困难。

北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院助理研究员黄鹏敏锐地意识到，忆阻器潜力远远不止如此，就像当年晶体管替代电子管一样，忆阻器可能给信息技术的物理基础带来颠覆性变化，可能给国家和军队带来抢占信息技术未来制高点的重大战略机遇。如果朝这条路发展下去的话，或许能再一次延续摩尔定律的生命，诞生出新一代的智慧机器人。

一切从兴趣出发

黄鹏总能想起2011年的某个深夜，北大的校园里已经没有什么人了，微纳电子学研究院的办公室却还亮着灯，他正在熬夜修改自己的第一篇会议文章，这也是他第一次参加行业最顶级的会议，导师刘晓彦教授在旁边耐心、细心、认真地指导他。“第一次写毫无经验，deadline（截止时间）也快到了，很着急。”黄鹏回忆道，导师刘晓彦教授几乎是手把手地教他如何画图、如何更清楚地表达文章的意思、如何做一场好的报告，最后陪着他熬了好几个通宵。多年以后，那些和老师一起通宵的夜晚，还是会让黄鹏感动不已，他也庆幸选择了感兴趣的方向——微电子学，一路走来，有了一些成果。

黄鹏的大学4年是在西安电子科技大学度过的，学的是电子科学技术专业。学校给出的培养方案是在前两年学习电子科学技术的通用课程，从第3年开始分方向选课。“电子科学技术是个一级学科，下面有4个二级学科，其中就有微电子学与固体电子学。”在第3年选课学习的过程中，黄鹏发现自己对微电子学方向更感兴趣，更多地选择了微电子学相关的课程，积累知识，开阔视野。

大三暑假，黄鹏开始着手准备保研的事情，他的成绩不错，收到了北京大学微纳电子学研究院的面试通知。“我当时面试完感觉不是很好，但没想到老师说题目还是比较难的，我回答得还是很不错的。”老师的话像一针强心剂给了黄鹏很大的勇气，他拒绝了其他学校的推免，开开心心地等着9月的开学。

来到北京大学后，黄鹏认认真真地跟着师兄师姐开组会，了解课题组的研究内容，一个月后他发现这些研究跟自己想的有些不一样。导师刘晓彦教授似乎看出了黄鹏的困惑，主动找他聊天，问他对什么方向感兴趣。

当时刘晓彦教授给了黄鹏两个题目：一个题目是研究石墨烯，另一个题目是研究忆阻器。“刘老师还是比较开明的，不会要求我必须做什么，还是比较尊重我个人的兴趣。”黄鹏看着这两个题目，最后决定等十一假期过完再给老师回复。

10月，恰逢诺贝尔奖颁奖，当年的诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的两位科学家，表彰他们利用透明胶带制备出二维石墨烯材料。出人意料的是，黄鹏并没有选择石墨烯作为自己的研究方向，“我还是想研究自己感兴趣的东西”。整个十一假期，黄鹏查阅了数量可观的文献资料，他预感忆阻器会是未来的研究趋势，所以最后他答复刘晓彦教授：“我想朝着忆阻器这个方向去研究。”

向大脑寻找答案

虽然已经决定做忆阻器的研究，但黄鹏之前从未接触过忆阻器，如何把其中的物理机制描述出来、如何模拟器件变化的电学行为，他没有任何可以参照的模型，想不出好的方法去做实验。“后来和课题组里做晶体管的同学交流，他们的一些方法让我很受启发，我也尝试着写了一些程序，应用到忆阻器上。”

经过启发后的黄鹏从零开始建立了铪基氧化物阻变器件模拟程序，提出了适于电路模拟的阻变器件模型等，相关成果于2012年、2013年连续两年在电子器件领域旗舰会议——IEEE电子器件会议国际会议（IEEE International Electron Devices Meeting）上作为第一完成人发表，受到斯坦福大学、比利时微电子研究中心（IMEC）等研究机构的关注。

2 0 1 4年，黄鹏前往美国斯坦福（Stanford）大学做短期访问学者，在这期间主要从事忆阻行为的HSPICE模型开发，并被学术界的同行广泛采纳使用。鉴于黄鹏在新型阻变存储器（RRAM）模型模拟研究方面所做的出色工作，他获得2014年美国电气电子工程师学会下设的电子器件协会（IEEE Electron Device Society）博士研究生奖学金（Ph. D.student fellowship）。该协会每年在全球范围内评选3位获奖者，以奖励在相关领域做出突出成绩的在读博士研究生。

转眼间，黄鹏到了博士的毕业阶段。“刘老师和我说，前面都是她给的题目，但是后面的研究我需要自己去思考，这个领域内还有哪些关键的科学问题需要去解决，要自己找方向。”导师的一席话让黄鹏意识到，他还有很长很远的路要走，不能满足于目前取得的荣誉，停滞不前。

黄鹏花了很长的时间整理博士前4年的工作，整理完之后，他发现存内计算技术和类脑计算芯片会是忆阻器领域未来比较重要的研究方向，如果自己继续朝着这个方向前进的话，说不定能给这个领域带来一些新的变化。

2 0 1 6年，黄鹏以第一作者的身份将论文《面向大规模信息处理应用的可重构非挥发存储计算融合架构》（Reconfigurable nonvolatile logic operations in resistance switching crossbar array for large-scale circuits）在线发表于顶级期刊Advanced Materials上。他提出以忆阻器替代当前主流的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件来实现逻辑计算，构建了计算和存储一体化的新型硬件信息处理系统。其中，忆阻器兼备逻辑计算和数据存储的雙重功能，极大地减少了数据在系统各个部分之间的交换，提高了计算效率。

“大脑就是存算一体的系统，所以能不能模仿人脑去做一个机器？”黄鹏解释说，阿尔法围棋（AlphaGo）击败李世石用了176个GPU、1202个CPU，功耗是150000W。而李世石的大脑体积大概是 1.2L，有1011个神经元，1015个突触，思考的时候功耗是20W。“大脑的功耗这么小，这么聪明，这里面还有这么大容量的神经元、突触，给了我们很多启发。”为此，黄鹏作为研究骨干参与到科技部重点研发计划“基于二维材料的电子突触”项目的研究中，他想通过向大脑寻找答案，看看大脑是如何处理计算的，大脑拥有的神经突触是否能通过仿真技术做出电子突触。

授人以渔育学生

2020年是黄鹏在北京大学的第十年，10年听起来很漫长，但是因为有着老师、朋友、同事的陪伴和鼓励，他的每一步都走得很稳健。

“博士毕业的时候，我也找过一些企业的工作，但找了一圈发现我还是更喜欢科研工作，另外我觉得教书育人是一份很神圣的工作。”黄鹏觉得把一名学生从初出茅庐培养成科研栋梁，是一个非常有成就感的过程。

但教书育人并不是一个简单的工作，黄鹏感触最深的是教育理念的转变。“刚开始的时候，我觉得把基本的知识教给学生就可以了。”但不管是导师刘晓彦教授的教导，还是北京大学对新老师的培训，传达给黄鹏的是，“重要的是教授学习的方法，而不是教具体的知识”。“教给学生具体的知识，学生可能会忘，但是教具体的学习方法，学生基本上都不会忘，而且会用在学习新的知识点上，融会贯通。”古语云，授人以鱼不如授人以渔，黄鹏深深感受到了“捕鱼”的方法有多重要。

当被记者问到，北京大学最吸引他的地方在哪里时，黄鹏给出了两个答案：一是学术自由的氛围，二是强烈的批判精神。

对做学术的人来说，学术自由是最重要的，黄鹏在北京大学最特别的感受是：“没有人会和你说必须要做什么，你想做什么都是可以的。”黄鹏认为学术自由才能让自己在科研上得到更大的发展。同时在学术自由氛围的影响下，黄鹏更注重鼓励学生的思维要无拘无束、天马行空。

而北京大学强烈的批判精神，对科研帮助更大。“真理是越辩越明，有争议才有进步，很多时候伟大的发明必须要有批判的精神才行。”在黄鹏看来，学生不仅要有批判的精神，更要有克服困难的能力。“因为想要把事情做到有价值，做出比较好的成果，一定会遇到困难。”黄鹏经常和学生说，如果做一件事情一帆风顺，始终没有遇到任何困难，那说明做的事情没有任何价值，因为换一个人也能做相同的事情。解决困难的能力，并不是每一个人生来就有的，但困难总是和人不期而遇，如何迈过这个坎，考验着每一个想要在学术上攀登顶峰的人。黄鹏坚信，学生遇到困难、解决困难获得的收获，永远要比一帆风顺获得的收获更多，成长得更快。

“顶天立地”做科研

在过去的10年里，以深度神经网络为代表的人工智能技术对人类产生了深远的影响。如何才能更进一步，从弱人工智能跨入强人工智能，叩问着每一个智能研究者的心。

越来越多的科学家意识到，发展人工智能的关键并非简单地提高计算能力和增加数据，而是如何建立一个类脑的智能模型。黄鹏研究的类脑计算、存算一体就是向生物找答案，向人类大脑找答案，而受到大脑启发的硬件设计，将带领人工智能走向新的道路。

谈到研究、谈到未来，黄鹏侃侃而谈，目光坚定，但他也经历过一段非常迷茫的时期。“博士的第四年和第五年，是我最迷茫的时候。”在那时，黄鹏还不能确定最终的研究方向，经常是做了两三个月的工作之后，发现别人已经解决了这个问题，甚至比他做得还好。黄鹏很苦恼，怀疑自己是否适合科研工作，“相当于船在大海迷失了方向，一直在原地打转”。导师刘晓彦教授如此教导黄鹏，“你不能急，越急越找不到合适的方向，寻找方向本身就是一种修炼，你不必担心最后能否修炼得道，最重要的是你成长的过程”。黄鹏在家人和老师的鼓励支持下，走出了这段艰难的岁月，找到了自己的前进方向。

十几年的科研之路，除了一路上家人和师长的支持，对科研的理想和情怀是黄鹏坚持下去的最大动力。课题组的康晋锋教授曾对黄鹏说，做微电子研究既要“顶天”又要“立地”。所谓“顶天”就是要有科学的理论，做最前沿的学术研究，掌握这一领域的最新动态。康晋锋教授希望在退休前能建立一套统一的理论，总结出这些微电子研究领域中许多神奇的物理现象，这也是黄鹏的终极目标。

“立地”是理论能运用，研究成果能落地。黄鹏希望通过目前正在进行的忆阻器项目，与科技公司合作，真正做出一些产品来，能够把国家在集成电路方面的短板补齐。“我希望自己能像钱学森这样满怀报国情的老一辈科学家一样，为祖国的发展贡献出自己的一份力量。”

专家简介

黄鹏，博士，助理研究员。2015年博士毕业于北京大学；2015—2018年北京大学微纳电子学研究院博士后研究员；2018年4月受聘为北京大学微纳电子学院助理研究员；2020年获得国家优秀青年科学基金立项资助。主要从事忆阻器件及类脑计算芯片的研究，包括忆阻逻辑运算及新型计算架构和忆阻效应的物理机制、模型和模拟。以第一作者（含共同一作）或共同通讯作者发表论文40余篇，其中微电子标志性顶级会议IEDM论文9篇，Nat. Electron.和AM（IF=25.8）論文各1篇，谷歌学术引用1700余次，H因子19。