1 工作简介

         ——基于FeFET的超低功耗无ADC边缘检测系统

西安电子科技大学研究团队提出并实现了一种基于铁电场效应晶体管（FeFET）的颠覆性边缘检测硬件系统。其核心创新在于完全跳出了传统依赖复杂卷积运算的范式，原创性地提出了“匹配单值段同化核”（MUSAN）方法，将计算本质从模拟域的乘累加，转变为在存储器内直接完成的特征模式匹配，避免了传统边缘检测中复杂的卷积与梯度运算，从而在硬件层面实现了无需模数转换器（ADC）、无精度损失、极低功耗的边缘检测系统。

图1. 典型边缘检测方法与所提MUSAN边缘检测法的对比。（a） 传统边缘检测器（如Prewitt、Sobel等）需卷积运算与模数转换器（ADC）。基于先进存储器的（b）传统硬件实现方案与（c）流程图。（d）本文提出的MUSAN边缘检测器，无需卷积运算与ADC，基于特征匹配实现。基于多比特内容寻址器（MCAM）的（e）MUSAN硬件实现方案与（f）流程图。

本研究的学术价值体现在以下几点：

1. 范式创新：首次在边缘检测领域实现了“去卷积化”和“去ADC化”的存内计算架构。如图所示，传统方案（上）必须通过模拟卷积核与ADC进行复杂计算，而本工作方案（下）仅需一个极简的4×4 FeFET阵列进行特征模式匹配，并直接输出二进制判决结果，从原理上消除了卷积带来的误差累积、高功耗和ADC瓶颈。

2. 理论突破：通过融合单值段同化核（USAN）算子与模糊/精确匹配策略，在算法层面实现了与经典卷积算子相媲美的检测精度，同时获得了对硬件器件波动的高容忍度，为不稳定模拟计算环境下的可靠边缘智能提供了新理论框架。

3. 极致能效验证：基于该架构的原型系统在BSDS500标准数据集上实现了与软件仿真100%一致的无损精度，单次特征匹配操作功耗低至10飞焦，创造了同类硬件能效的新纪录，并证实了其超过10年的数据保持特性。

本研究成果将应用于（1）超低功耗边缘视觉终端：该技术是智能物联网摄像头、可穿戴设备、无人机视觉模块等的理想解决方案，能实现常时在线、实时响应的边缘视觉处理，极大延长电池寿命。（2）高可靠实时处理系统：其数字式匹配判决机制和抗干扰特性，非常适用于自动驾驶（实时车道线检测）、工业质检（高速缺陷识别）、增强现实等对实时性与可靠性要求严苛的领域。（3）下一代存算一体芯片设计范本：本工作展示的“存内模式匹配”范式，可扩展至更广泛的边缘AI任务（如目标检测、特征点匹配），为设计无需高精度DAC/ADC、能效比极高的新一代AI芯片提供了可复用的技术路径。

该成果以题为“Low-power edge detection based on ferroelectric field-effect transistor”发表在《Nature Communications》期刊，不仅在学术上实现了边缘检测计算范式革新，更在工程上展示了一条通往实用化、低功耗边缘智能硬件的清晰路径，对推动终端AI的普及具有重要价值。本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4402303）以及国家自然科学基金（项目编号：62204229、62204228、62204226、62025402）的资助。

2 主要作者简介

第一作者

陈佳佳，西安电子科技大学菁英副教授，硕士研究生导师，入选小米青年学者。

博士毕业于浙江大学。主要从事面向智能计算的先进半导体器件研发；在Nature Communications、IEDM等顶级期刊和会议上发表文章40余篇；主持国家自然科学基金青年项目1项、浙江省自然科学基金探索项目1项，参与多项国家级以及省部级项目。

主要作者

韩根全，博士，西安电子科技大学二级教授，国家杰青，入选陕西省“百人计划”高层次人才和杭州市高层次人才。

本科毕业于清华大学，2008年在中国科学院半导体研究所获得博士学位。2008年加入新加坡国立大学从事高端微电子器件研究工作，在先进CMOS器件研究方面取得了国际领先的原创性成果。2013年回国后主要从事后摩尔新型微纳米器件和芯片、超宽禁带氧化镓功率器件和光电器件等方面的研究。获得陕西省青年科技奖、电子学会优秀毕业论文导师奖、全国颠覆性技术创新大赛优秀奖、长三角-粤港澳大湾区集成电路创业大赛奖等。担任IEEE Electron Device Letters、Journal of Semiconductors副主编。在IEEE International Electron Devices Meeting/IEEE Symposium on VLSI Technology和Nature Communications/IEEE Electron Device Letters等微电子器件会议和期刊发表论文400多篇。原创发明离子刀剥离与键合实现异质集氧化镓技术，开发设计多种氧化镓器件性能解决方案，原创发明高迁移率锗锡沟道CMOS晶体管技术，发展多种新型铁电存储器件和阵列芯片技术。

3 原文传递

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55224-8