8月19日，《Science》(科學)雜志在線發表了88858cc永利光學與電子信息學院/武漢光電研究中心缪向水、葉鐳團隊的研究論文，題為“2D materials-based homogeneous transistor-memory architecture for neuromorphic hardware, Science, DOI: 10.1126/science.abg3161”。
實現類腦智能是人類長期以來一直追求的夢想，類腦神經形态硬件是類腦智能的基石和引領者。缪向水、葉鐳團隊和中科院上海技術物理研究所、武漢大學、浙江大學、香港中文大學合作，突破了信息傳感、存儲和計算之間信息交換時存在的性能瓶頸，創新性地提出了一種同質晶體管-存儲器架構和新型類腦神經形态硬件，成為未來颠覆性傳感-存儲-計算一體化的類腦智能和革命性非馮·諾依曼計算體系的一縷曙光。
缪向水、葉鐳團隊合影
為了實現存算一體的類腦神經形态硬件，存儲器陣列通常需要與外圍電路連接，因為在實現存内計算的前後，都需要進行信号處理工作。但是存儲器的器件結構和外圍電路的器件結構存在差異，導緻存儲器和外圍電路的物理分離，器件集成及其相互耦合限制了類腦芯片的設計。且随着器件尺寸的不斷縮小，相互之間的阻抗匹配阻礙了高性能和高能效類腦計算的實現。
以相同的器件結構構建存儲器和外圍電路有望突破以上瓶頸。二維材料作為優異的紅外智能傳感材料，且可以構建豐富的存儲器結構，論文提出了二維材料與鐵電近鄰耦合實現感-存-算一體的新方法。一方面，固定的鐵電極化等效為非易失栅極電場對二維材料溝道進行電學摻雜，從而構建PN結、結型晶體管（BJT）等器件，用于構建外圍電路；另一方面，鐵電疇的極化翻轉調制能夠改變BJT的結區内建勢壘，用于構建非易失存儲器，并提升高低阻值比，以實現存内計算。
論文中單個器件包含多層二硒化鎢(WSe2)溝道、周期性極化的铌酸锂(LNO)介質、發射極(E)、集電極(C)、基極(B)和基極下的栅極(G)。E、C、B電極下的LNO介質分别具有向上、向下、向上(Pu-Pd-Pu)的極化分布，對WSe2構成N-P-N摻雜。當G接地，該器件具有BJT功能。将多個BJT連接用于構建運算放大器，可以實現模拟信号的放大、加法運算、積分運算、電壓比較等功能。當E、B接地，通過栅壓改變基區下方LNO的極化方向，Pu-Pd-Pu和Pu-Pu-Pu極化分布分别為高阻态和低阻态，實現非易失存儲功能。
圖1同質晶體管-存儲器架構的原理及器件結構
由于外圍電路所使用的運算放大器和存儲器單元采用相同的器件結構，可以直接構建基于同質晶體管-存儲器架構的神經形态硬件。通過此硬件在理論和實驗上實現了對數字和字母圖案的分類選擇。同時，利用同質的晶體管-存儲器架構，還實現了2T2R（二個晶體管和二個憶阻器）結構的新型三态内容尋址存儲器(TCAM)單元，可以應用于大規模數據并行尋址。論文基于同質晶體管-存儲器架構還提出了一種三維集成結構，對推動基于二維材料的新型神經形态硬件的産業化和應用具有極其重要的學術意義和應用前景。
圖2基于同質晶體管-存儲器架構的神經形态硬件實現了二值分類算法
圖3基于同質晶體管-存儲器架構的2T2R TCAM單元
88858cc永利為論文第一完成單位，光電信息學院博士生童磊為第一作者，光電信息學院葉鐳副研究員、中科院上海技物所胡偉達研究員為共同通訊作者。光電信息學院缪向水教授、張新亮教授、熊偉教授、薛堪豪教授、香港中文大學許建斌教授、上海技物所王鵬副研究員、夏輝副研究員、浙江大學徐明生教授、武漢大學劉峰副教授等參與了研究工作。研究工作受到國家自然科學基金項目、國家重點研發項目、香港研究資助局、中科院前沿科學重點研究項目等資助。
光電信息學院缪向水團隊長期從事相變存儲器芯片、存算一體憶阻器技術研究。2018年出版了國内第一本憶阻器專著《憶阻器導論》，2019年團隊93項三維相變存儲器芯片專利許可給長江存儲公司并合作開發産品，并與行業龍頭企業華為公司、新思科技公司、長江存儲公司等合作建立了聯合實驗室，推動存儲器芯片技術的成果轉化以及未來引領技術的探索。
全文鍊接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/08/18/science.abg3161
（缪向水、葉鐳等均為88858cc永利學生導師）
