由非易失性存儲(chǔ)器構(gòu)成的交叉陣列利用物理定律的原位計(jì)算來實(shí)現(xiàn)高能效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是打破傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)計(jì)算瓶頸的關(guān)鍵路徑。然而，目前所有存儲(chǔ)體系的陣列計(jì)算結(jié)果需要利用大量外圍電路進(jìn)行激活后才能有效執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)，增加了系統(tǒng)功耗，成為了存算一體技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。如果利用新型電子器件本身即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果激活，不但大幅降低功耗解決瓶頸問題，并有利于減少資源使用，將對(duì)發(fā)展更高效率更通用的新型計(jì)算技術(shù)具有重要意義。

針對(duì)這一關(guān)鍵問題，集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬教授、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院劉春森研究員創(chuàng)造性地開發(fā)出超快雙極性閃存器件，并實(shí)現(xiàn)了自激活存算一體技術(shù)。該成果利用團(tuán)隊(duì)前期提出的范德華異質(zhì)結(jié)超快閃存的三大要素新機(jī)理，引入雙極性二維半導(dǎo)體作為溝道，成功實(shí)現(xiàn)了高魯棒性超快雙極性閃存。通過對(duì)存儲(chǔ)雙極性行為的邏輯調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了乘法累加操作同時(shí)完成非線性自激活輸出，顯著降低外圍電路復(fù)雜度和能耗。

北京時(shí)間2023年3月21日，相關(guān)成果以《用于自激活存內(nèi)計(jì)算的超快雙極性閃存》（“An ultrafast bipolar flash memory for self-activated in-memory computing”）為題發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）。

復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將新型雙極性二維原子晶體集成進(jìn)廣泛應(yīng)用的電荷俘獲型閃存器件中，實(shí)現(xiàn)了雙極性閃存性能上的突破。其編程速度可達(dá)20納秒，壽命高達(dá)八百萬次，均比硅基閃存器件提高了將近三個(gè)數(shù)量級(jí)，展現(xiàn)出優(yōu)越的存儲(chǔ)性能。

研究團(tuán)隊(duì)利用二維半導(dǎo)體的雙極性能帶調(diào)控的特性，通過擦寫電荷俘獲層中的電子或空穴，控制形成p型/n型溝道的特性切換。柵電壓和存儲(chǔ)俘獲電荷的極性共同調(diào)制了溝道的開關(guān)行為，完成陣列乘積計(jì)算提升并行度。同時(shí)，并聯(lián)器件的電流輸出通過基爾霍夫定律同步實(shí)現(xiàn)了累加計(jì)算，大幅提高了計(jì)算效率。柵電壓和存儲(chǔ)電荷的極性匹配過程決定了計(jì)算結(jié)果的非線性激活輸出，省略了冗余的外部激活過程并顯著降低了由此產(chǎn)生的資源需求。該器件在不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下對(duì)比驗(yàn)證得出高準(zhǔn)確度，證明了自激活存算技術(shù)的高效性。

目前，利用大規(guī)模二維材料高質(zhì)量生長(zhǎng)和集成技術(shù)，基于更大尺寸的晶圓級(jí)存儲(chǔ)陣列正在研發(fā)中，采用協(xié)同優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)組合模塊系統(tǒng)級(jí)開發(fā)制造，該技術(shù)將滿足低功耗高算力發(fā)展需求。相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然基金委杰出青年基金、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計(jì)劃、上海市啟明星等項(xiàng)目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持。

圖超快雙極性閃存器件實(shí)現(xiàn)存算自激活過程示意與仿真算法驗(yàn)證

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https://www.nature.com/articles/s41565-023-01339-w