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李清江:给智能芯片装上最灵敏的“突触”

2021-11-22 科技日报

过去十年,国防科技大学电子科学学院副研究员李清江的科研工作就围着“忆阻器”转。

  过去十年,国防科技大学电子科学学院副研究员李清江的科研工作就围着“忆阻器”转。

  这是智能芯片中一种有“记忆”的电阻开关,它会根据电压或电流历史而动态改变电阻状态。“忆阻器是一种新型电子元件,其特性与人类大脑中的信息处理基本单元——神经突触很相似,它具有超小的尺寸、极快的擦写速度以及超长的擦写寿命。”李清江对科技日报记者说,他及团队成员要做的就是通过设计优化忆阻器,给智能芯片装上最灵敏的“突触”。

  近日,共青团中央公布了2021年“全国向上向善好青年”名单,李清江榜上有名。

  证明经典理论无误

  谈到科研路上的“关键点”,李清江说起了8年前的一个深夜。

  2013年,德国学者在国际权威刊物上发表论文,展示了某型忆阻器的非零交叉特性,而这与忆阻器经典理论不一致,由此提出忆阻器理论存在错误,引发国际学术争议。

  那天深夜,刚刚留校任教的李清江在查阅文献时,看到了这篇论文。这给他带来巨大的冲击,以至夜不能寐。

  李清江反复思忖,如果德国学者的质疑为真,则无异于给原始理论判了“死刑”,但真是如此吗?“不信邪”的他开始了反复的理论分析、实验测试、结果比对……

  一次又一次的结果都表明德国学者的结论是正确的,但他总觉得哪里不对劲?到底是哪里出了问题?

  一次测试中,极度疲惫的他忘记关闭直流电信号,但就是这次“不小心”,让他发现了问题的关键。他紧盯着忆阻器测试仪器上出现的规律曲线,敏锐地意识到该现象可能预示着器件中存在共生特性,这让他极度兴奋。他连夜撰写测试方案、反复进行实验验证,最终成功揭示了忆阻器非零交叉特性的物理机理,并首次实测证实了器件中忆阻、忆容和忆感三种记忆特性的共存,进而证明了经典忆阻器理论无误。

  相关研究成果被“忆阻器之父”、美国加州大学伯克利分校教授蔡少棠评价为“忆阻器研究中的又一个里程碑式的工作”,认为其对忆阻器的设计、制备与电路应用具有重要的指导意义。

  突破智能芯片技术瓶颈

  2018年,在一次项目研讨会上,李清江了解到我国某重大航天工程的星上处理机存在架构复杂、能耗高、智能化程度低等问题,极大制约工程的效能发挥。

  会后,他找到某航天工程团队技术专家深入探讨,了解星上处理机的架构、功能,同时思考可能的解决方案与技术细节。

  经过半个月的研究,李清江提出解决问题的新思路:利用新型忆阻器开发下一代智能计算芯片和智能星上处理机,并与团队成员论证方案的可行性与预期效益。

  “忆阻器属于世界前沿研究,但它还没有迈入应用阶段。方案虽可行,但能否成功,谁也无法预料。”有人提出质疑。

  “我们一定可以!”李清江暗下决心。

  为了不耽误进度,李清江和同事日夜奋战,仅用2年时间就突破了多项核心技术,成功设计出多核可配置忆阻器类脑计算芯片,首轮流片即成功。他还以此芯片为基础,开发出国内首套红外图像智能处理机样机,并在某系统星载预处理中得到应用验证,处理能效相比现有系统提升了1个数量级。

  为打赢未来战争培养人才

  获悉李清江入选“全国向上向善好青年”名单,他身边的领导、同事一点都不意外。

  “清江老师是我的榜样。”李清江课题组成员、国防科技大学讲师宋兵说,“对待科研工作,他非常严谨,不放过每处细节,并且善于从容易被忽视的地方发现问题。我在攻读博士学位时,每当遇到实验瓶颈,他总会认真帮我看实验记录,并给予我启发,使我顺利攻克了高开关比选通管设计制备关键技术,完成了博士学业。后来留校和他成为同事,在一起共事的过程中,我更能体会到他对细节的执着,这种精神一直影响着我。”

  自留校任教以来,李清江荣立个人二等功1次、三等功2次。同时,他还积极指导学生参加学科竞赛,由他指导的学生获得了全国一等奖4项、二等奖3项。

  在一次竞赛中,学员汪泳州在电路调试时,由于电路的输出总是难以达到预期效果,产生了挫败的心理,工作也没了动力。李清江鼓励他:“失败只是暂时的,要勇于面对失败,从失败中吸取经验。”

  随后,两人一起重新设计电路,对比仿真与测试结果,一点点分析优化,最终达到了题目要求的指标。

  “我们要为打赢未来信息化战争培养高素质电子信息技术人才,精准对接技术‘供给侧’与战场‘需求侧’,为服务强军备战提供人才支持和最优技术方案。”李清江说,下一步,他将与团队一起攻关基于传感器与类脑智能处理一体化集成的感存算一体芯片。

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