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清华微纳电子系任天令团队在极低功耗阻变存储器研究取得重要进展

归档日期:04-17       文本归类:短程记忆      文章编辑:爱尚语录

  12月4日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》()上发表了题为《面向神经计算应用基于机械剥离二维钙钛矿材料的极低工作电流阻变存储器》(“Extremely Low Operating Current Resistive Memory Based on Exfoliated 2D Perovskite Single Crystals for Neuromorphic Computing”)的研究论文,实现了阻变存储器在10 pA极低工作电流下工作,其功耗仅为28 pW,远低于传统阻变存储器mW~nW量级的功耗。该器件的仿生突触能耗仅为400 fJ/spike,已经非常接近人脑~1-100 fJ/spike的超低能耗,此项成果对于极低功耗的仿生神经计算具有重要意义。

  目前摩尔定律已经进入10 nm技术节点,探索新型微纳电子器件极其必要,特别是近期AlphaGo等一系列人工智能(AI)技术的兴起,为新一代微纳器件的研究提供了新的思路。然而目前人工智能主要基于商用CPU开发人工智能软件算法,其突出缺点是功耗极大,比如2016年的阿尔法狗(Alphago)采用了1202个CPU和176个GPU来模拟人脑的分析判断功能,功耗高达一万瓦。而人脑的功耗仅为10W。研究将人工智能算法硬件化以实现低功耗将是新一代微纳器件研究的重要方向。人工智能算法硬件化需要从底层探索新型仿生器件,为了实现器件的低功耗,需要让器件在极低电流下工作。

  任天令教授团队和普林斯顿大学巴里·兰德(Barry P. Rand)团队联合研发出一种新型的二维钙钛矿单晶(PEA)2PbBr4。这种新型二维钙钛矿单晶的能带达到2.9 eV,在可见光下是透明的(图一)。 基于新型的二维钙钛矿单晶,采用了机械剥离的方式获得了高质量二维钙钛矿薄膜,并且通过二维干法转移的方式将石墨烯转移到二维钙钛矿薄膜上面,构成了金/二维钙钛矿/石墨烯三明治结构(图二)。该工作实现了两个方面的创新:合成了一种全新的二维钙钛矿材料,具有较大的带隙,能够有效实现阻变存储器在极低电流下工作;通过机械剥离法获得了高质量二维钙钛矿单晶薄膜,能够有效避免缺陷引起的漏电流。

  图三. 基于二维钙钛矿的阻变存储器能够工作在10pA极低电流下工作,其性能优于前人报道的性能。

  在实验中,研究人员首先采用原子力显微镜结合透射电子显微镜和能谱仪观察到了二维钙钛矿中~20nm直径的纳米导电细丝,并且发现了Br-离子移动形成Br-空位的证据。在此基础上,研究人员测试了不同器件面积下和不同厚度的二维钙钛矿,获得了其初始形成导电细丝(Forming)所需的电场强度约为0.24 V/nm,并且实现了阻变存储器在10 pA电流下工作(图三)。相比于传统阻变存储器,研究人员研发的阻变存储器工作电流显著低于前人报道的电流值。在此基础上,研究人员发现基于该器件的仿生突触能耗仅为400 fJ/spike,并实现了短程记忆和长程记忆特性(图四),为未来应用于低功耗仿生神经计算打下了基础。

  近年来,任天令教授致力于研究突破传统器件的局限性,为新一代微纳电子器件技术奠定基础,尤其关注基于面向人工智能应用的二维材料基础研究与应用探索,在基于二维材料的新型微纳电子器件方面获得了多项重要创新成果,如智能石墨烯人工喉、低功耗石墨烯阻变存储器、石墨烯仿生突触器件、栅控石墨烯阻变存储器、石墨烯耳机、可频率编码的仿生突触等,相关成果发表在《自然·通讯》(Nature Communications)《先进材料》(Advanced Materials)《纳米快讯》(Nano Letters)《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)《电子器件快报》(IEEE EDL)等知名学术期刊上。

  清华大学微纳电子系助理教授田禾和美国普林斯顿大学博士生赵连锋是文章的共同第一作者,清华大学微纳电子系任天令教授和普林斯顿大学巴里·兰德(Barry Rand)教授是论文的通讯作者。该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

  7月24日微纳电子系任天令教授团队在纳米领域著名期刊《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上发表了题为《多层石墨烯表皮电子皮肤》(“Multilayer Graphene Epidermal Electronic Skin”)的研究论文。该器件实现了可定制的石墨烯电子纹身,具有极高的灵敏度,可以直接贴覆在皮肤上用于探测呼吸、心率、发声等多重功能,未来在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面具有重大应用前景。

  6月2-6日,第45届国际计算机体系结构大会在美国洛杉矶召开。清华大学微纳电子系博士生涂锋斌在会上做了题为《RANA:考虑增强动态随机存取存储器刷新优化的神经网络加速框架》(RANA: Towards Efficient Neural Acceleration with Refresh-Optimized Embedded DRAM)的专题报告。该项研究成果大幅提升了人工智能计算芯片的能量效率。

  1月29日,清华大学微电子系任天令教授团队在《美国化学学会`纳米》(ACS Nano)上发表了题为《仿生针刺随机分布结构的高灵敏度和宽线性范围石墨烯压力传感器的研究成果,由人体皮肤感知微结构出发提出相似的仿生结构,通过微结构和分布模式的结合解决了灵敏度和线性范围之间的矛盾,为力学器件性能的综合提升提供了一种全新的思路。

  12月2-6日,第63届国际电子器件大会在美国加州旧金山举行,清华微纳电子系副教授吴华强应邀作特邀报告,报告题目是“基于忆阻器的类脑计算的器件和电路优化。国际电子器件大会是微电子领域的顶级会议,与国际固态半导体电路大会 (ISSCC)并称微电子技术领域的“奥林匹克盛会”。今年的国际电子器件大会吸引了来自全球各地1900多人参加。

  10月2日,全球最大的半导体设备公司之一,泛林集团 (Lam Research)在美国硅谷举办以“共同探索”为主题的首届“伯克利-麻省理工-斯坦福-清华”半导体技术研讨会。

  清华微纳电子系任天令教授团队2015级硕士研究生王嘉斌荣获2017年电气和电子工程师协会硕士生奖。电气和电子工程师协会 电子器件学会(Electron Devices Society, EDS)是国际电子器件技术领域最重要的学术组织,每年在全球范围内遴选2至3位做出突出贡献的硕士研究生授予学会硕士生奖,表彰和鼓励全球范围内在电子器件研究领取得重要进展的硕士生。

  8月11日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为《用于动作探测的石墨烯纸基压力传感器》(“Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions”)的研究论文,实现了石墨烯纸压力传感器灵敏度的进一步提升。对于柔性智能可穿戴传感器的发展具有重大意义

  7月25日,清华大学微纳电子系可重构计算团队设计的可重构混合神经网络计算芯片(代号Thinker)在台北举办的2017国际低功耗电子学与设计会议(2017 ACM/IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design,简称ISLPED会议)上获得设计竞赛奖(Design Contest Award)。Thinker芯片第一完成人微纳电子系副教授尹首一和微纳电子系微电子与固体电子专业2013级博士生涂锋斌在会上详细介绍了该团队人工智能芯片的高能效设计技术。这是中国大陆单位首次以第一完成单位获得此奖项。

  6月6日,清华大学微纳电子系魏少军教授团队在日本京都举办的2017超大规模集成电路国际研讨会发表了题为“面向深度学习的高能效(1.06-5.09TOPS/W)可重构混合神经网络处理器”的学术论文。第一作者尹首一副教授在会上详细介绍了该团队在人工智能芯片领域取得的重大进展。

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