清华忆阻器计算：速度飙升44%，节能153倍

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清华大学突破：内存计算硬件助力AI，速度提升44%，能耗骤降153倍

引言：

在人工智能的浪潮中，数据标注犹如基石，其效率直接关系到AI发展的速度和成本。然而，传统的数据标注方式耗时耗力，且成本高昂，成为制约AI发展的瓶颈。近日，清华大学的研究团队在这一领域取得了重大突破，他们利用内存计算硬件，成功实现了深度贝叶斯主动学习（DBAL），不仅大幅提升了数据标注的速度，更实现了惊人的节能效果，为人工智能的未来发展注入了新的活力。

正文：

数据标注的困境与DBAL的崛起

当前，人工智能的许多任务都依赖于大量的标记数据进行训练。然而，数据标注往往是一个耗时、劳动密集型且成本高昂的过程。深度贝叶斯主动学习（DBAL）的出现，为解决这一难题提供了新的思路。DBAL通过智能选择最具信息量的样本进行标注，从而以指数级的方式提高标记效率，大幅降低成本。然而，DBAL的实现也面临着高带宽数据传输和概率计算的挑战。

清华团队的创新：忆阻器随机梯度Langevin动力学原位学习

为了克服DBAL的瓶颈，清华大学的研究团队提出了一种创新的解决方案：忆阻器随机梯度Langevin动力学原位学习方法。该方法利用忆阻器调制的随机性来提高学习效率，并在内存计算（CIM）框架内实现了DBAL。与传统的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的硬件实现相比，该方案实现了44%的显著速度提升，并且可以节省153倍的能源。这项研究成果以“Deep Bayesian active learning using in-memory computing hardware”为题，于2024年12月23日发表在《Nature Computational Science》上。

忆阻器的独特优势：概率计算的利器

传统的DBAL通常使用确定性的冯·诺依曼架构和基于CMOS的芯片实现。在训练过程中，密集的向量矩阵乘法（VMM）会导致处理器和内存之间的数据频繁交换，产生大量的延迟和能耗。此外，训练中常用的高斯随机数生成也会带来额外的延迟和能耗。

而基于忆阻器阵列的概率计算则完美地解决了这些问题。忆阻器不仅消除了VMM计算过程中大量的数据移动，还利用其固有的随机性来高效地生成随机数。基于欧姆定律和基尔霍夫电流定律，忆阻器可以在一次并行读取操作中实现VMM原位计算。同时，忆阻器中离子的随机运动赋予了电导随机特性，使得读取或编程操作能够有效地模拟随机数的生成。这种特性使得忆阻器阵列成为实现概率AI算法的理想选择。

内存DBAL框架：捕获不确定性的关键

DBAL的迭代学习过程高度依赖于对不确定性的准确捕获。为了解决这一问题，清华团队提出了一个内存DBAL框架。该框架首先通过异地训练获得初始部署的忆阻器BDNN，然后使用选定的数据进行原位迭代学习，以捕获不确定性。研究团队还提出了一种忆阻器随机梯度朗之万动力学（mSGLD）原位学习方法，该方法利用设备的随机性，采用单个调制脉冲来生成高斯随机数进行权重更新。为了减轻过度电导随机性对学习的影响，团队还提出了一种平滑过渡方法，使忆阻器BDNN能够在学习和预测过程中有效地捕获和呈现不确定性。

实验验证：机器人技能学习的成功应用

为了验证该方法的有效性，研究团队在机器人技能学习任务中进行了演示。他们训练机器人通过BDNN模型学习高级浇注技能。由于标记数据的获取成本较高，机器人需要尽可能少地使用标记样本来有效地学习技能。实验结果表明，基于忆阻器的ESCIM系统成功地演示了该任务的内存主动学习过程。与被动学习相比，主动学习在相同的查询样本数量下，性能明显更优。

研究意义：开启高效AI的新篇章

这项研究不仅展示了基于忆阻器的系统实现高效DBAL的可行性，也揭示了贝叶斯方法在高效概率计算中的巨大潜力。该研究为未来的AI硬件发展指明了方向，为解决AI发展中面临的数据标注难题提供了新的思路。这项突破性的研究成果预示着，未来人工智能的发展将更加高效、节能，并更加智能化。

结论：

清华大学的研究团队通过创新的忆阻器内存计算技术，成功地实现了深度贝叶斯主动学习，不仅大幅提升了数据标注的速度，更实现了惊人的节能效果。这一突破性进展为人工智能的发展注入了新的活力，也为未来的AI硬件发展指明了方向。我们有理由相信，在不久的将来，基于忆阻器等新型硬件的AI技术将迎来更加广阔的发展前景。

参考文献：