北大團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)AI芯片領(lǐng)域重要突破 鐵電晶體管僅1納米、功耗最低！

來(lái)源：高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)北京大學(xué)電子學(xué)院官方消息，北京大學(xué)在非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。電子學(xué)院邱晨光-彭練矛團(tuán)隊(duì)成功將鐵電晶體管物理柵長(zhǎng)縮減至1納米極限，創(chuàng)造性地制備了迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，有望為AI芯片算力和能效提升提供核心器件支撐。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》上。

以下為文章原文：

電子學(xué)院邱晨光-彭練矛團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)際上最低功耗鐵電晶體管

北京大學(xué)在非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。電子學(xué)院邱晨光-彭練矛團(tuán)隊(duì)首次提出“納米柵超低功耗鐵電晶體管”。團(tuán)隊(duì)通過(guò)精巧設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)的器件結(jié)構(gòu)，引入納米柵極電場(chǎng)匯聚增強(qiáng)效應(yīng)，研制出可在0.6V超低電壓下工作的鐵電晶體管，能耗降低至0.45 fJ/μm，并且將物理柵長(zhǎng)縮減到1納米極限，為國(guó)際上迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，為構(gòu)建高性能亞1納米節(jié)點(diǎn)芯片和高算力AI芯片架構(gòu)提供了更具潛力的新物理機(jī)制存儲(chǔ)器件。該突破性成果以“Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V ”為題，在線發(fā)表于Science子刊《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)。

文章截圖

邏輯器件和存儲(chǔ)器件是構(gòu)建集成電路的兩大底層元器件。邏輯單元構(gòu)成芯片的“運(yùn)算與控制中樞”，存儲(chǔ)單元構(gòu)成芯片的“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”，兩者占集成電路市場(chǎng)規(guī)模的70%以上。在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，邏輯晶體管通過(guò)制程微縮和架構(gòu)迭代，性能不斷提升，當(dāng)前業(yè)界已實(shí)現(xiàn)2納米節(jié)點(diǎn)邏輯芯片量產(chǎn)，并且CMOS晶體管在0.7V的低電壓下工作。然而相比之下，非易失性存儲(chǔ)器幾十年來(lái)性能發(fā)展相對(duì)滯后，主流的非易失性Flash存儲(chǔ)技術(shù)難以微縮到先進(jìn)節(jié)點(diǎn)；最為關(guān)鍵的是，F(xiàn)lash存儲(chǔ)需要在5V以上高電壓下完成數(shù)據(jù)擦寫(xiě)。因此，現(xiàn)有芯片必須在邏輯單元和非易失存儲(chǔ)之間集成升降壓電路以完成工作電壓轉(zhuǎn)換，這帶來(lái)了額外面積開(kāi)銷、能耗增加等一系列問(wèn)題。更為重要的是，現(xiàn)代AI芯片架構(gòu)的核心在于數(shù)據(jù)流優(yōu)化，邏輯和存儲(chǔ)之間的電壓不匹配直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互不暢通，嚴(yán)重拖累了AI芯片算力，并大幅增加了能耗。

邏輯與存儲(chǔ)芯片的電壓演進(jìn)與業(yè)界兼容的納米柵鐵電存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)展望

鐵電晶體管利用鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，是后摩爾芯片技術(shù)中極具潛力的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界廣泛關(guān)注。憑借極化雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)機(jī)制和三端晶體管結(jié)構(gòu)，有望構(gòu)建非易失性存算一體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與高速計(jì)算的完美結(jié)合，是破解“存儲(chǔ)墻”和實(shí)現(xiàn)人工智能底層架構(gòu)革新的關(guān)鍵新技術(shù)。然而迄今為止，受限于平板鐵電體矯頑電壓的物理限制，傳統(tǒng)鐵電晶體管仍需用1.5V以上電壓實(shí)現(xiàn)鐵電極化翻轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)擦寫(xiě)。盡管優(yōu)于Flash，但常規(guī)鐵電晶體管理論上無(wú)法降低電壓到0.7V以下，即無(wú)法匹配到邏輯電壓水平。如何實(shí)現(xiàn)亞0.7V的超低電壓存儲(chǔ)技術(shù)，是突破存儲(chǔ)墻瓶頸和提升AI芯片算力的關(guān)鍵。

納米柵鐵電晶體管的超低電壓電學(xué)表征

在本工作中，邱晨光-彭練矛團(tuán)隊(duì)首次提出“納米柵鐵電晶體管結(jié)構(gòu)”和“納米柵極電場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理”。通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，巧妙地將柵電極尺寸縮小到納米極限尺度。利用納米柵的尖端電場(chǎng)匯聚效應(yīng)，在鐵電層中構(gòu)建了高度局域化的強(qiáng)電場(chǎng)匯聚區(qū)，有效地放大了局部電場(chǎng)強(qiáng)度，大幅降低鐵電極化翻轉(zhuǎn)電壓，超越了常規(guī)平板鐵電體的矯頑電壓極限，打破了“低電壓與高矯頑電場(chǎng)不可兼得”的固有認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了0.6V超低工作電壓，將鐵電存儲(chǔ)電壓降低到和邏輯電壓相當(dāng)水平。研制的鐵電晶體管能耗水平低至0.45 fJ/μm，領(lǐng)先國(guó)際已有報(bào)道一個(gè)數(shù)量級(jí)，存儲(chǔ)速度接近1納秒。該研究在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)鐵電晶體管具有反常的尺寸微縮優(yōu)勢(shì)，即物理柵長(zhǎng)微縮到極限1納米時(shí)顯著匯聚并增強(qiáng)了電場(chǎng)，極小柵極尺寸有效改善了鐵電存儲(chǔ)特性，充分表明鐵電存儲(chǔ)器在構(gòu)建未來(lái)亞納米節(jié)點(diǎn)芯片具有顯著優(yōu)勢(shì)。

納米柵鐵電晶體管的超低功耗機(jī)理分析

北京大學(xué)無(wú)線電電子學(xué)系創(chuàng)立于1958年，1996年更名為“北京大學(xué)電子學(xué)系”，2002年9月起為北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院下設(shè)的教學(xué)單位，2021年11月12日正式成立“電子學(xué)院”。現(xiàn)有教職員工118人，其中教學(xué)科研人員102人，包括教授/研究員60人，副教授/副研究員35人，講師/助理研究員7人；中國(guó)科學(xué)院院士1人，長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授6人，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者10人，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者11人，萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才支持計(jì)劃入選者5人，國(guó)家級(jí)青年項(xiàng)目入選者18人，IEEE Fellow2人，973計(jì)劃/國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃/重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家12人，“百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)3人，北京市高等學(xué)校教學(xué)名師獎(jiǎng)獲得者1人。現(xiàn)任院長(zhǎng)中國(guó)科學(xué)院院士彭練矛。(來(lái)源：北京大學(xué))

全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟

全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟（簡(jiǎn)稱:高校聯(lián)盟）是由清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中南大學(xué)、東北大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)、重慶郵電大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院、曲阜師范大學(xué)、黑龍江大學(xué)、海豚大數(shù)據(jù)科技等全國(guó)54家高校、企業(yè)共同發(fā)起，于2018年5月26日在北京中國(guó)科技會(huì)堂正式成立。迄今為止，聯(lián)盟發(fā)展會(huì)員300多家, 覆蓋全國(guó)20多個(gè)省市。聯(lián)盟由一批積極投身于“人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈”教育事業(yè)的高校、科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位和個(gè)人自愿組成的公益性、全國(guó)性學(xué)術(shù)交流服務(wù)平臺(tái)。中國(guó)工程院原常務(wù)副院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士潘云鶴、中國(guó)科學(xué)院院士陳國(guó)良、中國(guó)工程院院士李伯虎擔(dān)任聯(lián)盟名譽(yù)理事長(zhǎng)，中國(guó)工程院院士譚建榮擔(dān)任聯(lián)盟理事長(zhǎng)。聯(lián)盟工作接受工信部、國(guó)家網(wǎng)信辦等政府部門(mén)行政管理和業(yè)務(wù)指導(dǎo)。聯(lián)盟主要工作是推進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人。(加盟微信13651193492)

華算人工智能研究院

華算人工智能研究院全稱是“山西省華算人工智能研究院有限公司”，是經(jīng)山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)管理委員會(huì)批準(zhǔn)，于2023年10月在太原成立的第一批專業(yè)研究人工智能、賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的獨(dú)立法人組織。華算人工智能研究院依托全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟專家委員會(huì)及理事會(huì)資源，按照山西省委省政府、山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)管理委員會(huì)發(fā)展人工智能、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的系列文件精神和工作計(jì)劃，將研究院打造成為山西省發(fā)展人工智能、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的示范應(yīng)用推廣平臺(tái)，同時(shí)面向全國(guó)開(kāi)展人工智能業(yè)務(wù)。華算人工智能研究院名譽(yù)院長(zhǎng)由中國(guó)工程院院士李伯虎擔(dān)任。研究院內(nèi)設(shè)AI產(chǎn)業(yè)學(xué)院共建中心、實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)就業(yè)中心、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中心、專家智庫(kù)等6個(gè)職能部門(mén)。歡迎加入華算人工智能研究院專家智庫(kù)，共同賦能高校AI人才培養(yǎng)及產(chǎn)教融合事業(yè)發(fā)展。

高校區(qū)塊鏈專委會(huì)

全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟區(qū)塊鏈專委會(huì)（簡(jiǎn)稱:高校區(qū)塊鏈專委會(huì)），是由北京大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、西南財(cái)經(jīng)大學(xué)、北京交通大學(xué)、鄭州大學(xué)、貴州大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院、陜西師范大學(xué)、中國(guó)網(wǎng)安、海豚大數(shù)據(jù)科技等全國(guó)40多家高校、企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同發(fā)起，于2019年12月7日在廣東省佛山市正式成立。目前發(fā)展高校及企業(yè)會(huì)員70多家。中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)教授陳純擔(dān)任高校區(qū)塊鏈專委會(huì)名譽(yù)顧問(wèn)；福州大學(xué)教授蔡維德、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)區(qū)塊鏈專委會(huì)主任斯雪明教授、中國(guó)人民銀行數(shù)字貨幣研究所副所長(zhǎng)狄剛擔(dān)任高校區(qū)塊鏈專委會(huì)名譽(yù)主任；北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院區(qū)塊鏈中心主任陳鐘教授擔(dān)任高校區(qū)塊鏈專委會(huì)主任。高校區(qū)塊鏈專委會(huì)主要工作是促進(jìn)高校區(qū)塊鏈教育，為高校區(qū)塊鏈專業(yè)建設(shè)及學(xué)科發(fā)展提供專家咨詢服務(wù)。

高校元宇宙專委會(huì)

全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟元宇宙專業(yè)委員會(huì)（簡(jiǎn)稱:高校元宇宙專委會(huì)），是由清華大學(xué)、湖南大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)、汕頭大學(xué)、河北金融學(xué)院、保定市元宇宙協(xié)會(huì)、英偉達(dá)中國(guó)、海爾衣聯(lián)網(wǎng)研究院、海豚大數(shù)據(jù)科技(天津)有限公司等全國(guó)20多所高校、企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同發(fā)起，于2022年11月5日在北京正式成立。中國(guó)工程院院士、計(jì)算機(jī)軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)＜亿w沁平擔(dān)任高校元宇宙專委會(huì)名譽(yù)顧問(wèn)；中國(guó)工程院院士、北京航空航天大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院名譽(yù)院長(zhǎng)、中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司科技委高級(jí)顧問(wèn)李伯虎擔(dān)任高校元宇宙專委會(huì)名譽(yù)主任；清華大學(xué)信息國(guó)研中心可信軟件和大數(shù)據(jù)部常務(wù)副主任邢春曉擔(dān)任高校元宇宙專委會(huì)主任委員。目前已發(fā)展高校及企業(yè)會(huì)員30多家。高校元宇宙專委會(huì)主要工作是促進(jìn)高校元宇宙教育、加強(qiáng)校企合作、推動(dòng)元宇宙專業(yè)建設(shè)及學(xué)科發(fā)展，為元宇宙教育教學(xué)提供專家咨詢服務(wù)。

高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會(huì)

全國(guó)高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟數(shù)字經(jīng)濟(jì)專業(yè)委員會(huì)（簡(jiǎn)稱:高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會(huì)），是由華算人工智能研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、中國(guó)社會(huì)科學(xué)院信息化研究中心、四川大學(xué)、北京外國(guó)語(yǔ)大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京語(yǔ)言大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京聯(lián)合大學(xué)、北京物資學(xué)院、北京印刷學(xué)院、西藏民族大學(xué)、河北金融學(xué)院、重慶財(cái)經(jīng)學(xué)院、蘇州城市學(xué)院、北京中關(guān)村軟件園、百度、海豚大數(shù)據(jù)科技等全國(guó)60多家高校、企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同發(fā)起，于2024年1月12日在北京正式成立。清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授姜旭平、北京大學(xué)信息管理系教授賴茂生、中國(guó)社會(huì)科學(xué)院信息化研究中心主任姜奇平、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院教授呂本富擔(dān)任高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會(huì)主任委員。高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會(huì)主要工作是促進(jìn)高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專業(yè)建設(shè)及學(xué)科發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研合作，為高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專業(yè)教育教學(xué)提供專家咨詢服務(wù)。

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