微電子所在新型存儲器件、模型及類腦計算方向取得突破性進展
2019-12-26 10:37:52 中國科學院微電子研究所在存儲器件方面，劉明團隊提出了一種基于HZO鐵電薄膜極性反轉調制的電場可編程二極管及1T2D結構的電壓輸出存儲單元（圖1）。針對二進制神經元網絡（BNN）應用，提出了一種基于2T4D XNOR單元的無CSA的BNN架構，其單元面積?。?6 F2），效率高（387 TOPS / W）。
在器件模型方面，劉明團隊提出了一種基于表面勢的連續的負電容晶體管（NCFET）緊縮模型（圖2）。該模型結合了多籌作用朗道理論、極化弛豫的時間特性和半經典玻耳茲曼輸運理論，首次得到沒有任何經驗擬合參數的表面勢解析解。模型與數值解和實驗吻合，成功嵌入SPICE進行電路仿真，為NCFET的設計-技術協同優化(DTCO)提供了很好的幫助。
在類腦計算方面，劉明團隊基于具有MIT轉變的NbOx器件構建了一種1T1R結構的脈沖神經元電路（圖3），其輸出脈沖發放頻率與輸入電壓關系滿足ReLU激活函數。利用該神經元電路構建了320×10的網絡，實現了模擬神經網絡（ANN）到脈沖神經網絡（SNN）的轉換，摒棄了傳統神經網絡中ADC的使用。在MNIST庫上實現了與ANN相當的識別率。
基于上述成果的3篇研究論文入選2019國際電子器件大會。第一作者分別為羅慶副研究員、趙瑩博士、張續猛博士。三篇論文的通訊作者分別為呂杭炳研究員和劉明院士，李泠研究員和劉明院士，楊建華教授、劉琦研究員和劉明院士。
IEEE國際電子器件大會始于1954年，現已成為全球報道半導體及電子領域最新的科技、研發設計、制造、物理學及建模技術的主要論壇，旨在為產學研界的研究學者提供關于電子器件最新研究進展和研究成果的國際交流平臺。
圖1 一種基于HZO鐵電薄膜極性反轉調制的電場可編程二極管(Field-Programmable Ferroelectric Diode)及1T2D結構的電壓輸出存儲單元
圖2 基于表面勢的連續解析負電容場效應晶體管緊縮模型，首次得到了表面勢連續解析解，在器件轉移等特性與實驗數據吻合，并成功用于電路仿真
圖3 一種基于NbOx器件的1T1R結構的脈沖神經元電路及輸出特性。首次構建了320×10的硬件脈沖神經網絡，實現了ANN到SNN的轉換，摒棄了ANN中ADC的使用
