比存算一体更进一步，“感存算一体化”前景如何？

近一段时间，存算一体再燃热潮，成为破除“内存墙”，以及打造大算力芯片的主要路径之一。不过我们今天的话题比存算一体还要更多元，它就是“感存算一体化”。

正如开篇提到的，存算一体芯片是为了打破冯诺依曼存储计算分离的计算架构所造成的“内存墙”的系统限制，而“感存算一体化”则是在这个体系里增加了传感。以传统物联网体系为例，数据基本是在传感、存储和计算芯片三个部分流转，而三位合一无疑能够降低能耗和延迟。

具体的实现方式，我们参考华南先进光电子研究院樊贞团队在《Nature Communications》发表的研究成果，如下图所示，该团队利用铁电Pb(Zr0.2Ti0.8)O3外延薄膜的大极化和受极化调控的光伏效应，构建了高质量铁电光伏传感器，然后完成了感知和处理图像的FE-PS-NET的概念验证，可以实现高可靠性、超低延迟和零能耗的推理。

图源：华东师范大学新闻网

和存算一体一样，“感存算一体化”也是处于行业发展的早期阶段，学术性研究比较多，除了我们刚刚提到的华南先进光电子研究院樊贞团队，国内武汉光电国家研究中心、光学与电子信息学院缪向水教授、叶镭副教授团队也在做相关的研究。2021年8月份，《Science》(科学)杂志曾发表过一篇缪向水教授、叶镭副教授团队的论文，论文中提出了二维材料与铁电近邻耦合实现感-存-算一体的新方法。如下图所示，该团队一方面利用固定的铁电极化等效为非易失栅极电场对二维材料沟道进行电学掺杂，从而构建PN结、结型晶体管（BJT）等器件，用于构建外围电路；另一方面，铁电畴的极化翻转调制能够改变BJT的结区内建势垒，用于构建非易失存储器，并提升高低阻值比，以实现存内计算。

图源：华中科技大学信息存储材料及器件研究所网站

从当前的研究成果来看，“感存算一体化”主要是压力感存算一体、光学感存算一体、气体感存算一体三大类。从目前的应用方向来看，“感存算一体化”主要是实现更高效的机器视觉和类脑计算。华南先进光电子研究院樊贞团队的研究就是为了解决传统机器视觉系统由于数据在传感、内存和处理单元之间的反复搬运，导致高能耗和高延迟，难以满足无人驾驶等场景中海量视觉信息实时处理的需求；武汉光电国家研究中心、光学与电子信息学院缪向水教授、叶镭副教授团队则是创新性地提出了一种同质晶体管-存储器架构和新型类脑神经形态硬件。

在企业方面，目前公开透露有相关研究的企业，一个是中电海康，另一个是九天睿芯。2020年，在长三角一体化发展重大合作事项签约仪式上，长三角物联网“感存算一体化”合作落地，中电海康作为总部设在杭州的国内物联网龙头企业，建设“感存算一体化”超级中试中心。

九天睿芯目前已经完成了感存算一体芯片的流片和验证，落地有望。2021年9月，相关报道指出，九天睿芯全球首款可广泛应用于视觉领域的感存算一体新型架构计算芯片ADA20X已流片成功并完成性能验证。

根据九天睿芯官网介绍，ADA20X是一款可应用于多种视觉场景的模数混合AI视觉芯片，能效比高达20Tops/W，可以同时支持高精度的图像及高时间分辨率的事件处理。九天睿芯介绍称，ADA20X具有高度可定制性，可以依据不同的市场需求，定制不同算力及接口的专用芯片，算力覆盖从0.3Tops-200Tops，可以满足平板电脑、可穿戴、智能家居、AR/VR、电池供电IPC、ADAS等多种不同应用场景。

当前，在我国“十四五”国家重点研发计划“信息光子技术”重点专项中，感存算一体光电融合芯片技术被列入其中，再加上长三角“感存算一体化”联盟的推动，未来“感存算一体化”芯片大有可为，尤其是在机器视觉和类脑计算领域。