——Science：面向神经形态硬件的新型存算一体架构 华中科技大学光电信息学院、武汉光电国家研究中心叶镭副教授、缪向水教授团队与中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员团队合作在传感-存储-计算一体化研究方面取得了重要进展。研究成果以“基于二维材料的面向神经形态硬件的同质晶体管-存储器架构”（2D materials-based homogeneous transistor-memory architecture for neuromorphic hardware）为题，于2021年8月20日在《科学》（Science）上发表。新型神经形态硬件在自动驾驶、图像识别、语音处理、智能预测、脑机接口、物联网等领域具有广泛的应用。新型存储器件作为此类硬件的基础得到极大的关注，特别是基于二维材料的新型存储器近年来获得了多项突破，包括新型忆阻器、相变存储器、磁性存储器、铁电存储器等。为了实现类脑计算功能，存储器阵列通常需要与外围电路连接，因为在实现存内计算之前和之后，都需要进行信号处理工作。但是当前外围电路器件仍然基于传统的CMOS场效应管和结型晶体管，由于存储器和外围电路在器件结构、制造工艺上的差异性，导致两个模块的物理分离，在芯片设计时需要考虑模块集成和相互耦合。同时随着器件尺寸的不断下降，不同模块之间的阻抗匹配也阻碍高性能和高能效的实现。采用相同的器件结构构建存储器和外围电路有望为神经形态硬件提供新的设计和制造方案。本工作采用了二维材料与铁电近邻耦合的物理机制。在一方面，高度取向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、或结型晶体管（BJT）等器件。基于BJT单元器件可以构建运算放大器，推动外围电路的设计。另一方面，铁电畴的极化翻转调制能够改变BJT结区内建势垒，用于设计非易失的存储器并提升高阻态和低阻态比值。
由于外围电路所使用的运算放大器和存储器单元采用相同的器件结构，可以直接构建基于同质晶体管-存储器架构的神经形态硬件。通过栅压改变单个存储器的权重（即电导率），实现存内运算；基于运算放大器构建电压比较器，实现存内运算结果的二值分类。通过理论和实验，实现对3×3像素字母和数字图案的分类，验证了该神经形态硬件在神经网络算法等方面的应用潜力。其次，利用同质的晶体管-存储器架构，还实现了2T2R（二晶体管、二忆阻器）结构的新型三态内容寻址存储器（TCAM）单元设计，可以应用于大规模数据并行寻址。图2. 基于同质晶体管-存储器架构的神经形态硬件，实现二值分类算法。图3. 基于同质晶体管-存储器构建新型TCAM单元。基于本文的同质晶体管-存储器架构，可以简化硬件设计和制造难度，提升不同功能模块的良好耦合。同时还有望进一步在保证阻抗匹配的条件下降低器件尺寸，提高集成度，降低系统功耗。此外，这种铁电调控多功能器件不仅能存算一体还可实现高灵敏光电传感，为感存算一体化芯片设计提供了新思路。本文还提出了一种三维集成架构，有望进一步推动基于二维材料的新型神经形态硬件的设计及其在人工智能等方面的应用，也为中国半导体芯片制造领域提供新的突破路径。该研究成果发表在Science期刊上。华中科技大学光电信息学院博士生童磊为第一作者，华中科技大学光电信息学院、武汉光电国家研究中心叶镭副教授和中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研发项目、香港研究资助局、中科院前沿科学重点研究项目、上海市自然科学基金等资助。
现工作于华中科技大学光学与电子信息学院/国家光电研究中心，主要从事二维半导体光电器件及其片上集成研究。曾获湖北省“楚天学者”人才计划，被聘为APL Materials和Journal of Physics: Condensed Matter客座编辑。近五年来发表SCI论文40余篇，其中第一作、通讯作者发表SCI论文30余篇，包括Science、Nature Communications、Advanced Materials、Optica、Matter、ACS Nano、Nano Letters等国际知名期刊论文,授权中国发明专利11项。
胡伟达，研究员，博士生导师。国家杰出青年基金、中国青年科技奖获得者，国家重点研发计划首席。
现工作于中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，长期从事红外探测器物理及其智能芯片应用研究。曾获萨本栋应用物理奖、英国Royal Society-Newton Advanced Fellowship等人才计划和奖励。现任Infrared Physics & Technology副主编、Optical and Quantum Electronics执行主编。《红外与毫米波学报》、《红外技术》、《红外与激光工程》编委。第一、通讯作者在Science、Nature Electronics、Nature Nanotechnology等学术期刊发表论文100余篇，他引万余次，h因子59。授权中国发明专利19项。
主要从事二维材料智能光电器件和量子器件的机制、设计及应用研究研究。以第一作者在Science、Nature Communications,、Advanced Materials、Science Bulletin、Optica、ACS Nano、Nano Letters等国际期刊发表SCI论文8篇，参与合作文章8篇，授权中国发明专利2项。
详情请点击论文链接：
https://doi.org/10.1126/science.abg3161
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1302086.html
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