《科学》在线发表缪向水叶镭团队传感-存储-计算一体化研究成果

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8月19日，《科学》（Science）在线发表了华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心缪向水、叶镭团队题为“2D materials-based homogeneous transistor-memory architecture for neuromorphic hardware”的研究论文。这是8月18日《自然》Nature刊发华中科技大学团队研究成果后，两天内，华中科技大学第2次登上国际顶刊。
        实现类脑智能是人类长期以来一直追求的梦想，类脑神经形态硬件是类脑智能的基石和引领者。缪向水、叶镭团队和中科院上海技术物理研究所、武汉大学、浙江大学、香港中文大学合作，突破了信息传感、存储和计算之间信息交换时存在的性能瓶颈，创新性地提出了一种同质晶体管-存储器架构和新型类脑神经形态硬件，成为未来颠覆性传感-存储-计算一体化的类脑智能和革命性非冯·诺依曼计算体系的一缕曙光。
        为了实现存算一体的类脑神经形态硬件，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的前后，都需要进行信号处理工作。但是存储器的器件结构和外围电路的器件结构存在差异，导致存储器和外围电路的物理分离，器件集成及其相互耦合限制了类脑芯片的设计。且随着器件尺寸的不断缩小，相互之间的阻抗匹配阻碍了高性能和高能效类脑计算的实现。
        以相同的器件结构构建存储器和外围电路有望突破以上瓶颈。二维材料作为优异的红外智能传感材料，且可以构建丰富的存储器结构，论文提出了二维材料与铁电近邻耦合实现感-存-算一体的新方法。一方面，固定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、结型晶体管（BJT）等器件，用于构建外围电路；另一方面，铁电畴的极化翻转调制能够改变BJT的结区内建势垒，用于构建非易失存储器，并提升高低阻值比，以实现存内计算。
       论文中单个器件包含多层二硒化钨(WSe2)沟道、周期性极化的铌酸锂(LNO)介质、发射极(E)、集电极(C)、基极(B)和基极下的栅极(G)。E、C、B电极下的LNO介质分别具有向上、向下、向上(Pu-Pd-Pu)的极化分布，对WSe2构成N-P-N掺杂。当G接地，该器件具有BJT功能。将多个BJT连接用于构建运算放大器，可以实现模拟信号的放大、加法运算、积分运算、电压比较等功能。当E、B接地，通过栅压改变基区下方LNO的极化方向，Pu-Pd-Pu和Pu-Pu-Pu极化分布分别为高阻态和低阻态，实现非易失存储功能。

图1：同质晶体管-存储器架构的原理及器件结构

        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。通过此硬件在理论和实验上实现了对数字和字母图案的分类选择。同时，利用同质的晶体管-存储器架构，还实现了2T2R（二个晶体管和二个忆阻器）结构的新型三态内容寻址存储器(TCAM)单元，可以应用于大规模数据并行寻址。论文基于同质晶体管-存储器架构还提出了一种三维集成结构，对推动基于二维材料的新型神经形态硬件的产业化和应用具有极其重要的学术意义和应用前景。

图2：基于同质晶体管-存储器架构的神经形态硬件实现了二值分类算法

图3：基于同质晶体管-存储器架构的2T2R TCAM单元

       华中科技大学为论文第一完成单位。光电信息学院博士生童磊为第一作者，光电信息学院叶镭副研究员、中科院上海技物所胡伟达研究员为共同通讯作者。光电信息学院缪向水教授、张新亮教授、熊伟教授、薛堪豪教授、香港中文大学许建斌教授、上海技物所王鹏副研究员、夏辉副研究员、浙江大学徐明生教授、武汉大学刘峰副教授等参与了研究工作。研究工作受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等资助。
         据悉，光电信息学院缪向水团队长期从事相变存储器芯片、存算一体忆阻器技术研究。2018年出版了国内第一本忆阻器专著《忆阻器导论》，2019年团队93项三维相变存储器芯片专利许可给长江存储公司并合作开发产品，并与行业龙头企业华为公司、新思科技公司、长江存储公司等合作建立了联合实验室，推动存储器芯片技术的成果转化以及未来引领技术的探索。


         文章来源：华中科技大学
         缪向水，国务院享受政府特殊津贴专家、教育部“长江学者”特聘教授；华中科技大学校学术委员会委员、武汉国际微电子学院副院长、微电子学系主任、武汉光电国家实验室信息存储材料及器件团队负责人；中国仪表功能材料学会副理事长、中国微米纳米技术学会常务理事、中国真空学会薄膜专委会委员；ScientificReports（Nature出版集团）编辑、IEEENanotechnologyMagazine杂志技术编辑。1997年到2007年在新加坡国立大学国家数据存储研究院（DSI）研究光存储和相变存储器的材料及器件。2007年起在国家863项目、国家国际科技合作项目、国家自然科学基金项目支持下，研究忆阻器和相变存储器的材料及器件，并在类脑芯片和逻辑运算器件方面取得了一系列成果。缪教授先后获新加坡国家技术奖1次、中国国家科技进步奖2次；发表论文300多篇；获得国家发明专利授权36件，美国专利3件。
        叶镭，华中科技大学光学与电子信息学院/国家光电研究中心，副研究员/副教授，博士生导师，主要从事二维半导体光电器件及其片上集成研究。获批湖北省“楚天”计划支持，近五年来发表SCI论文40余篇，其中以一作或通讯作者（含共同）发表SCI论文30余篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Optica、Matter、ACS Nano、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊论文。