近日，國際頂級(jí)期刊《自然?電子學(xué)》(NatureElectronics)刊登了由三星頂尖工程師聯(lián)合哈佛大學(xué)研究人員共同創(chuàng)作的前沿學(xué)術(shù)論文，題為《基于復(fù)制和粘貼大腦的神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)》。論文提出了研發(fā)模擬人腦芯片的愿景，通過復(fù)制大腦神經(jīng)元，讓電子芯片實(shí)現(xiàn)近似于人類大腦的獨(dú)特計(jì)算特性，帶來低功耗、易學(xué)習(xí)、適應(yīng)環(huán)境等能力，甚至還將擁有一定自主性與認(rèn)知力。這一科技感十足的構(gòu)想，再度展現(xiàn)了三星在半導(dǎo)體芯片等技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的超前實(shí)力。

三星以前瞻性技術(shù)研發(fā)為行業(yè)永續(xù)動(dòng)力

在人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用的今天，圍繞它的前瞻技術(shù)研發(fā)愈加深入，這其中的類腦芯片研究更備受重視。

作為人類重要的運(yùn)算器官，大腦擁有龐大的算力，擁有至少1000億個(gè)神經(jīng)元，數(shù)量約等于銀河系中的恒星數(shù)。這些神經(jīng)元又構(gòu)成10-15個(gè)神經(jīng)連接，將復(fù)雜相連的神經(jīng)首尾相接，總長度超過18萬公里。而具備超強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和低功耗性，也是類腦芯片研究領(lǐng)域一直追求的目標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)的過程極具挑戰(zhàn)。因?yàn)榭茖W(xué)家至今都對(duì)神經(jīng)元如何相互連結(jié)，以構(gòu)筑人腦復(fù)雜功能所知甚少。但這并不妨礙科技工作者以大腦為“啟發(fā)”，研制具有大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的電子芯片。

在三星與哈佛此次聯(lián)合發(fā)表的論文中就提到了其研究目標(biāo)——大腦逆向工程的神經(jīng)形態(tài)學(xué)，為類腦芯片領(lǐng)域的研發(fā)提供可能。論文指出，納米電極陣列能有效進(jìn)入大腦神經(jīng)元，并以極高靈敏度記錄電流信號(hào)，進(jìn)而掌握神經(jīng)元相互連結(jié)的位置及相互連結(jié)的強(qiáng)度。從這些記錄中，研發(fā)人員可以提取或“復(fù)制”神經(jīng)元連接圖，并將其“粘貼”至非揮發(fā)性記憶體（Non-Volatile Memories）上，例如日用固態(tài)硬盤（SSD）中的商業(yè)閃存，或可變電阻式記憶體（RRAM）等新型記憶體等，再藉由對(duì)各記憶體的編程，使其得以利用傳導(dǎo)性，重現(xiàn)被復(fù)制連線圖的神經(jīng)元連結(jié)強(qiáng)度。

三星頂尖工程師聯(lián)合哈佛大學(xué)研究人員提出了研發(fā)模擬人腦芯片的愿景

論文還指出，人類大腦至少有1000億個(gè)神經(jīng)元，而它們形成的突觸連接更是神經(jīng)元數(shù)量的1000倍以上。因此，最終用于“復(fù)制”的神經(jīng)形態(tài)芯片，將具備存儲(chǔ)100萬億個(gè)虛擬神經(jīng)元和突觸數(shù)據(jù)的容量。

對(duì)此，三星電子表示，三星主導(dǎo)的“3D集成技術(shù)”開創(chuàng)了存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的新時(shí)代，可以使得在一個(gè)芯片上集成如此多的存儲(chǔ)芯片成為可能。未來，利用在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)，三星還將繼續(xù)進(jìn)行神經(jīng)工學(xué)研究，以擴(kuò)大在下一代人工智能半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

通過論文，人們已經(jīng)足以直觀感受到三星類腦芯片的研發(fā)實(shí)力。而在通往人工智能化未來的路上，三星所做的探索還有更多。

例如，三星已成功開發(fā)業(yè)界首款整合人工智能處理能力的高帶寬存儲(chǔ)器HBM-PIM。每個(gè)存儲(chǔ)庫內(nèi)都加入了DRAM優(yōu)化AI引擎，可直接提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存位置所需的處理能力，能做到并行處理還可大幅降低數(shù)據(jù)移動(dòng)。這突破了業(yè)界所討論的馮諾伊曼瓶頸，可加速數(shù)據(jù)中心大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)作、高效能運(yùn)算系統(tǒng)以及AI移動(dòng)應(yīng)用的處理速度，帶來超過兩倍的系統(tǒng)效能，并降低近70%的耗電量。

同時(shí)在被稱為“集成電路界奧林匹克”的ISSCC（國際固態(tài)電路會(huì)議，是世界學(xué)術(shù)界和企業(yè)界公認(rèn)的集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別會(huì)議）上，三星被錄取的論文數(shù)量也充分反應(yīng)了其在該領(lǐng)域的亮眼成績。在ISSCC 2020會(huì)議上，三星共有13篇論文入選。今年的ISSCC，三星多篇論文獲獎(jiǎng)，內(nèi)容涉及圖像傳感器、3nm、存儲(chǔ)器、AI芯片和領(lǐng)先的5nm手機(jī)SoC及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等多個(gè)領(lǐng)域。

得益于在科研領(lǐng)域的研發(fā)積累，三星在推動(dòng)行業(yè)前瞻性技術(shù)邁向商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的過程中貢獻(xiàn)卓著。例如，在近些年備受業(yè)界關(guān)注的晶圓代工及CIS研發(fā)等方面就有所體現(xiàn)。

從晶圓代工到CIS研發(fā)，看三星技術(shù)的快人一步

作為晶圓代工企業(yè)中的領(lǐng)軍者之一，三星將創(chuàng)新力轉(zhuǎn)化為推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的技術(shù)，不斷迭代晶圓的生產(chǎn)工藝，滿足市場對(duì)高性能芯片的需求，更突破行業(yè)專家所認(rèn)為的極限。

在近日舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星宣布公司的3nm世代工藝GAE 將于 2022 年投入量產(chǎn)，3nm世代的3GAP則將在2023年量產(chǎn)，2nm世代的2GAP工藝將于2025年面世。尤其在3nm上，三星將實(shí)現(xiàn)被業(yè)界一致看好的Gate-All-Around晶體管技術(shù)，這一技術(shù)能延續(xù)現(xiàn)有半導(dǎo)體的技術(shù)路線、增強(qiáng)柵極控制能力、克服當(dāng)前技術(shù)的物理縮放比例和性能限制，將為今后數(shù)據(jù)中心和人工智能等領(lǐng)域發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

在CIS（接觸式圖像傳感器）研發(fā)方面，三星的表現(xiàn)也同樣出色。當(dāng)智能手機(jī)的創(chuàng)新力逐漸步入瓶頸，手機(jī)廠商都將發(fā)展目光投向了手機(jī)攝像頭領(lǐng)域。這成為各家CIS供應(yīng)商不斷升級(jí)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力，但就在業(yè)界競爭者深耕幾千像素的攝像頭時(shí)，三星率先將CIS推進(jìn)到“億”級(jí)別。

今年9月，三星正式推出旗下首款基于0.64μm像素的2億像素（200Mp）分辨率圖像傳感器ISOCELL HP1，這款產(chǎn)品不僅有著超高分辨率，而且封裝小巧，能很好融于如今的各類手持設(shè)備。有了ISOCELL HP1加持，即便在室內(nèi)或傍晚等光線不足的環(huán)境下拍照，也能拍出炒高分辨率照片，看到更清晰的細(xì)節(jié)。更驚喜的是，ISOCELL HP1還能以30幀/秒（fps）的速度拍攝8K視頻，且盡可能減少視野損失。

自1974年進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以來，三星在多個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)造了奇跡，也正在面向未來的科技產(chǎn)業(yè)做廣泛布局。正如三星電子高級(jí)技術(shù)研究院研究員Donhee Ham所言，“我們提出的愿景非常宏大，但朝著這樣一個(gè)宏偉的目標(biāo)努力，我們將推動(dòng)機(jī)器智能、神經(jīng)科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的邊界。”

編輯：fqj