4萬次180度彎曲而性能無衰減！能彎能算！中國首款柔性 AI 芯片問世

人工智能芯片變得像創(chuàng)可貼一樣柔軟貼合身體，像織物一樣可隨意彎折、卷曲，甚至能嵌入衣物、貼合皮膚而不被察覺，是否會徹底顛覆現(xiàn)有智能硬件的形態(tài)，引發(fā)一場全新的硬件革命？這一曾經(jīng)停留在科幻設(shè)想中的場景，如今正隨著中國科研團(tuán)隊(duì)的重大突破，逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。北京時間1月29日，清華大學(xué)、北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員在國際頂級學(xué)術(shù)期刊英國《自然》雜志發(fā)表重磅論文，正式宣布成功研發(fā)出FLEXI系列全柔性數(shù)字型存算一體人工智能芯片，一舉突破柔性電子在高性能AI計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，為可穿戴健康監(jiān)測、柔性機(jī)器人、腦機(jī)接口等前沿智能應(yīng)用，提供了關(guān)鍵且核心的硬件支撐，也標(biāo)志著我國在柔性AI芯片領(lǐng)域躋身世界領(lǐng)先行列。

柔性設(shè)備需高性能AI芯片突破

在人工智能與物聯(lián)網(wǎng)、具身智能深度融合的當(dāng)下，智能終端正朝著“輕量化、柔性化、場景化”的方向加速迭代，市場對輕量、高效、柔性的智能計(jì)算硬件需求日益迫切。長期以來，傳統(tǒng)智能芯片均基于硅基材料制成，質(zhì)地堅(jiān)硬、無法彎曲，盡管運(yùn)算性能不斷提升，卻難以適配人體皮膚、柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)等復(fù)雜曲面場景，成為制約可穿戴設(shè)備、柔性電子等產(chǎn)業(yè)升級的核心痛點(diǎn)。而目前全球已有的柔性處理器，又普遍存在致命短板——工作頻率低、能耗高，且缺乏并行計(jì)算能力，只能完成簡單的信號采集與傳輸，根本無法勝任神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理等數(shù)據(jù)密集型AI任務(wù)，導(dǎo)致柔性設(shè)備始終處于“有感知、無智能”的初級階段。

國產(chǎn)FLEXI系列芯片破解行業(yè)困局

為破解這一行業(yè)困局，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)人工智能研究院燕博南助理教授團(tuán)隊(duì)等科研力量聯(lián)合攻關(guān)，依托國產(chǎn)工藝成功研制出FLEXI系列全柔性數(shù)字型存算一體芯片，實(shí)現(xiàn)了柔性形態(tài)與高性能AI計(jì)算的完美結(jié)合，一舉打破了國外在柔性電子核心硬件領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。據(jù)科研團(tuán)隊(duì)介紹，該芯片采用低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS-TFT）技術(shù)制造，整體厚度僅25微米，相當(dāng)于普通紙張的十分之一，薄如蟬翼、質(zhì)地柔軟，可隨意進(jìn)行180度彎折，甚至能在半徑1毫米的極限條件下對折，完全適配人體皮膚、柔性織物等復(fù)雜曲面部署需求。

存算一體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)效率與功耗雙優(yōu)化

相較于現(xiàn)有柔性芯片，F(xiàn)LEXI系列的核心突破的在于創(chuàng)新性的“存算一體”架構(gòu)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)芯片的“記憶單元”與“計(jì)算單元”相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)在兩者之間來回傳輸時，不僅會消耗大量電能，還會產(chǎn)生延遲，制約運(yùn)算效率。而該芯片以全數(shù)字靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）為核心，將“記憶”與“計(jì)算”功能合二為一，相當(dāng)于讓芯片“邊存儲、邊計(jì)算”，徹底省去了數(shù)據(jù)搬運(yùn)的環(huán)節(jié)，大幅提升了運(yùn)算效率與能效比。同時，芯片采用模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思路，單個模塊由6T-SRAM單元及嵌入式可重構(gòu)本地處理單元構(gòu)成，支持穩(wěn)定、高速的并行點(diǎn)積運(yùn)算，可高效支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理中的單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）運(yùn)算，徹底解決了傳統(tǒng)柔性芯片無法處理數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的難題。

在性能與穩(wěn)定性方面，F(xiàn)LEXI系列芯片展現(xiàn)出遠(yuǎn)超行業(yè)同類產(chǎn)品的優(yōu)勢。目前該系列已推出FLEXI-1（1kb）、FLEXI-4（4kb）和FLEXI-32（32kb）三種規(guī)格，最多可集成約26.5萬個晶體管，覆蓋不同場景需求。其中，最小版本的FLEXI-1芯片面積僅31.12平方毫米，集成10628個晶體管，可靈活切換兩種運(yùn)行模式——高性能模式下運(yùn)算頻率可達(dá)12.5MHz，滿足復(fù)雜AI任務(wù)處理需求；超低功耗模式下能耗僅為55.94微瓦，相當(dāng)于普通手機(jī)芯片能耗的萬分之一，可依靠微型電池長期供電，完美適配可穿戴設(shè)備的低功耗需求。

高可靠性適配極端場景，產(chǎn)業(yè)化潛力凸顯

更值得關(guān)注的是其卓越的機(jī)械可靠性與長期穩(wěn)定性。燕博南助理教授介紹，經(jīng)過嚴(yán)格測試，該芯片可承受超過4萬次180度彎折循環(huán)而性能無任何衰減，在長達(dá)6個月的加速老化測試中保持穩(wěn)定運(yùn)行，即使在-40℃至80℃的溫度變化、90%的相對濕度乃至紫外線照射等極端環(huán)境下，依然能正常工作。同時，芯片在持續(xù)執(zhí)行百億次運(yùn)算后仍保持零錯誤率，整體良率達(dá)到70%-92%，單芯片成本控制在1美元以內(nèi)，具備極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。與已報道的柔性計(jì)算芯片相比，F(xiàn)LEXI系列在時鐘頻率和能效方面均實(shí)現(xiàn)數(shù)量級提升，其能量-延遲積較傳統(tǒng)同步CPU降低3-4個數(shù)量級。

賦能多領(lǐng)域，開啟柔性智能新時代

在實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證中，F(xiàn)LEXI系列芯片的表現(xiàn)同樣亮眼，為多個前沿領(lǐng)域的技術(shù)革新提供了可能。在可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域，單個僅1千比特容量的FLEXI-1芯片，就能以99.2%的準(zhǔn)確率實(shí)時檢測心律失常，精準(zhǔn)捕捉心電信號中的異常波動，實(shí)現(xiàn)疾病的早期預(yù)警；同時，該芯片還能同步處理心率、呼吸頻率、體溫、皮膚水分等多模態(tài)生理信號，對人體坐、站、走、跑等日常活動狀態(tài)的分類準(zhǔn)確率達(dá)到97.4%，未來可嵌入貼身衣物、健康貼片，實(shí)現(xiàn)24小時無感健康監(jiān)測，為慢性病管理、老人看護(hù)、運(yùn)動康復(fù)等場景提供全新解決方案。

除了可穿戴設(shè)備，該芯片還能廣泛應(yīng)用于柔性機(jī)器人、腦機(jī)接口、物聯(lián)網(wǎng)終端等領(lǐng)域。在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，芯片可像“電子神經(jīng)”一樣嵌入機(jī)器人關(guān)節(jié)，提供實(shí)時感知與決策能力，其超低功耗特性可讓救援機(jī)器人、管道檢測機(jī)器人等在無外部線纜供電的情況下長時間自主工作；在腦機(jī)接口領(lǐng)域，柔性質(zhì)地可極大減少設(shè)備對人體組織的刺激，高穩(wěn)定性與低功耗使其能實(shí)現(xiàn)長時間腦電信號監(jiān)測，為運(yùn)動障礙患者的康復(fù)輔助提供技術(shù)支撐。

國產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)跑，助力柔性電子產(chǎn)業(yè)升級

業(yè)內(nèi)專家評價，F(xiàn)LEXI系列全柔性AI芯片的問世，不僅填補(bǔ)了我國高性能柔性AI計(jì)算芯片的技術(shù)空白，更標(biāo)志著我國在柔性電子與邊緣人工智能硬件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了關(guān)鍵跨越，為后摩爾時代芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開辟了全新路徑。任天令教授表示，未來芯片的發(fā)展不僅是性能的提升，更要聚焦“為人服務(wù)”的核心目標(biāo)，F(xiàn)LEXI系列芯片的研發(fā)，正是讓高性能AI算法擺脫笨重的硬件載體，真正融入人體曲線與生活角落。

目前，科研團(tuán)隊(duì)已完成芯片的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證與性能測試，下一步將重點(diǎn)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化落地，優(yōu)化生產(chǎn)良率與芯片尺寸，推動其與可穿戴設(shè)備、柔性機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)深度融合。隨著這款國產(chǎn)全柔性AI芯片的普及，不僅將引爆智能硬件領(lǐng)域的新革命，更將助力我國在全球柔性電子產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)與健康產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動力。

資料來源：全球紡織網(wǎng)