劉璐
學(xué)號(hào)19021110354T
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【嵌牛導(dǎo)讀】處理器和存儲(chǔ)器芯片通常由不同的制造代工廠(chǎng)單獨(dú)生產(chǎn)喊巍，然后由系統(tǒng)工程師在印刷電路板上組裝在一起以制造計(jì)算機(jī)和智能電話(huà)，這就是馮諾依曼50多年前確立的計(jì)算架構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)計(jì)算分離的架構(gòu)瓶頸越來(lái)越多，在傳統(tǒng)計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算單元需要將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元中提取出來(lái)，處理完成后再寫(xiě)回存儲(chǔ)單元档礁。而存算一體則省去數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程，有效提升計(jì)算性能吝沫。相較于傳統(tǒng)芯片呻澜，存算一體人工智能芯片具有能耗低递礼、運(yùn)算效率高、速度快和成本低的特點(diǎn)羹幸。普渡大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)的方法是從材料的角度進(jìn)行創(chuàng)新宰衙，實(shí)現(xiàn)了芯片在計(jì)算的同時(shí)也可以存儲(chǔ)。
【嵌牛鼻子】存算芯片睹欲、材料創(chuàng)新供炼、AI時(shí)代
【嵌牛提問(wèn)】 以芯片為代表的集成電路產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為是工業(yè)糧食，也是數(shù)字經(jīng)濟(jì)和信息交互不可或缺的核心技術(shù)窘疮，然而國(guó)內(nèi)芯片行業(yè)一直受制于國(guó)外袋哼，新的時(shí)代擁有新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，我們是否能緊緊把握住機(jī)會(huì)闸衫，也像存算一體芯片邁進(jìn)涛贯？
【嵌牛正文】
雷鋒網(wǎng)按，AI 對(duì)算力提出了更高的要求蔚出，傳統(tǒng)的芯片面臨挑戰(zhàn)弟翘，不過(guò)在量子計(jì)算和類(lèi)腦計(jì)算獲得長(zhǎng)足發(fā)展之前，芯片算力的提升依舊依靠現(xiàn)有技術(shù)的提升和創(chuàng)新骄酗。存內(nèi)計(jì)算芯片在AI時(shí)代中也獲得了不少關(guān)注稀余，不過(guò)普渡大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)的方法是從材料的角度進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了芯片在計(jì)算的同時(shí)也可以存儲(chǔ)趋翻。研究人員稱(chēng)睛琳，未來(lái)如果這種芯片的進(jìn)一步改進(jìn)將有利于類(lèi)腦計(jì)算的發(fā)展。
?????? 計(jì)算機(jī)芯片使用兩個(gè)不同的組件來(lái)處理和存儲(chǔ)信息踏烙。如果工程師可以將兩種組件組合成一個(gè)或彼此相鄰放置师骗，那么芯片上將有更多的空間，從芯片速度更快讨惩，性能更強(qiáng)大辟癌。
普渡大學(xué)（Purdue University）的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，將用于處理信息的數(shù)百萬(wàn)個(gè)微型開(kāi)關(guān)（通常稱(chēng)為晶體管）也能在芯片上進(jìn)行信息的存儲(chǔ)荐捻。
這種方法在《自然電子》上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹黍少，它通過(guò)解決另一個(gè)問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：將晶體管與比大多數(shù)計(jì)算機(jī)中使用的性能更高的存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，稱(chēng)為鐵電性 RAM靴患。
研究人員數(shù)十年來(lái)一直試圖將兩者整合在一起仍侥，但問(wèn)題在于鐵電材料和硅（構(gòu)成晶體管的半導(dǎo)體材料）之間的界面要出。另外鸳君，鐵電 RAM 作為片上的獨(dú)立單元運(yùn)行，從而限制了其大幅提升計(jì)算效率的潛力患蹂。
由普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授 Peide Ye或颊，Richard J. 和 Mary Jo Schwartz 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何克服硅與鐵電材料之間致命的敵對(duì)關(guān)系的方法砸紊。
“我們使用了具有鐵電特性的半導(dǎo)體。兩種材料就變成一種材料囱挑，這樣就不必?fù)?dān)心接口問(wèn)題醉顽。” Ye 說(shuō)平挑。
結(jié)果就成為了所謂的鐵電半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管游添，其構(gòu)建方式與當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片上使用的晶體管相同。
α硒化銦材料不僅具有鐵電性能通熄，而且還解決了“ 禁帶寬度 ” 通常充當(dāng)絕緣體而不是半導(dǎo)體常規(guī)鐵電材料的問(wèn)題唆涝，這意味著電流無(wú)法通過(guò)并且沒(méi)有計(jì)算發(fā)生。
α-硒化銦的禁帶寬度小得多唇辨，這使得這種材料成為半導(dǎo)體而不會(huì)失去鐵電性能廊酣。
普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程博士后研究員 Mengwei Si構(gòu)建并測(cè)試了該晶體管，發(fā)現(xiàn)其性能可與現(xiàn)有的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管相媲美赏枚，并表示通過(guò)一步優(yōu)化性能還會(huì)更好亡驰。普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授 Sumeet Gupta，獲得博士學(xué)位的 Atanu Saha 對(duì)建模提供了支持饿幅。
Si 和 Ye 的團(tuán)隊(duì)還與佐治亞理工學(xué)院的研究人員合作凡辱，將α-硒化銦建立在稱(chēng)為鐵電隧道結(jié)的芯片空間中，工程師可以利用該空間來(lái)增強(qiáng)芯片的功能栗恩。該團(tuán)隊(duì)在 12 月 9 日在 2019 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議上介紹了這項(xiàng)研究工作煞茫。
過(guò)去，研究人員無(wú)法建立高性能的鐵電隧道結(jié)摄凡，因?yàn)樗膶拵妒共牧咸裥眨瑹o(wú)法通過(guò)電流。由于α-硒化銦的帶隙小得多亲澡，因此該材料的厚度僅為 10 納米钦扭，從而可以允許更多的電流流過(guò)。
更大的電流可以讓芯片的面積縮小至幾納米床绪，從而使芯片的晶體管密度更高客情、更節(jié)能。Ye 補(bǔ)充表示癞己，較薄的材料-甚至可以減小到原子的厚度膀斋，也意味著隧道結(jié)兩側(cè)的電極可以小得多，這對(duì)于構(gòu)建模擬人腦的電路非常有用痹雅。
