來源：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)研制出國際上最低功耗鐵電晶體管

北京大學(xué)在非易失性存儲器領(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)通過精巧設(shè)計(jì)鐵電存儲的器件結(jié)構(gòu)，引入納米柵極電場匯聚增強(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，并且將物理柵長縮減到1納米極限，為國際上迄今尺寸最小、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”，存儲單元構(gòu)成芯片的“數(shù)據(jù)倉庫”，兩者占集成電路市場規(guī)模的70%以上。在摩爾定律的驅(qū)動下，邏輯晶體管通過制程微縮和架構(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，非易失性存儲器幾十年來性能發(fā)展相對滯后，主流的非易失性Flash存儲技術(shù)難以微縮到先進(jìn)節(jié)點(diǎn)；最為關(guān)鍵的是，F(xiàn)lash存儲需要在5V以上高電壓下完成數(shù)據(jù)擦寫。因此，現(xiàn)有芯片必須在邏輯單元和非易失存儲之間集成升降壓電路以完成工作電壓轉(zhuǎn)換，這帶來了額外面積開銷、能耗增加等一系列問題。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。

邏輯與存儲芯片的電壓演進(jìn)與業(yè)界兼容的納米柵鐵電存儲結(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，是后摩爾芯片技術(shù)中極具潛力的半導(dǎo)體存儲器，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)存儲與高速計(jì)算的完美結(jié)合，是破解“存儲墻”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。盡管優(yōu)于Flash，但常規(guī)鐵電晶體管理論上無法降低電壓到0.7V以下，即無法匹配到邏輯電壓水平。如何實(shí)現(xiàn)亞0.7V的超低電壓存儲技術(shù)，是突破存儲墻瓶頸和提升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“納米柵極電場增強(qiáng)機(jī)理”。通過優(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匯聚效應(yīng)，在鐵電層中構(gòu)建了高度局域化的強(qiáng)電場匯聚區(qū)，有效地放大了局部電場強(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)先國際已有報道一個數(shù)量級，存儲速度接近1納秒。該研究在國際上首次發(fā)現(xiàn)鐵電晶體管具有反常的尺寸微縮優(yōu)勢，即物理柵長微縮到極限1納米時顯著匯聚并增強(qiáng)了電場，極小柵極尺寸有效改善了鐵電存儲特性，充分表明鐵電存儲器在構(gòu)建未來亞納米節(jié)點(diǎn)芯片具有顯著優(yōu)勢。

納米柵鐵電晶體管的超低功耗機(jī)理分析

北京大學(xué)無線電電子學(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”?，F(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；中國科學(xué)院院士1人，長江學(xué)者獎勵計(jì)劃特聘教授6人，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者10人，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者11人，萬人計(jì)劃青年拔尖人才支持計(jì)劃入選者5人，國家級青年項(xiàng)目入選者18人，IEEE Fellow2人，973計(jì)劃/國家重大科學(xué)研究計(jì)劃/重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家12人，“百千萬人才工程”國家級3人，北京市高等學(xué)校教學(xué)名師獎獲得者1人?，F(xiàn)任院長中國科學(xué)院院士彭練矛。(來源：北京大學(xué))

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

全國高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟（簡稱: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54家高校、企業(yè)共同發(fā)起，于2018年5月26日在北京中國科技會堂正式成立。迄今為止，聯(lián)盟發(fā)展會員300多家, 覆蓋全國20多個省市。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)單位和個人自愿組成的公益性、全國性學(xué)術(shù)交流服務(wù)平臺。中國工程院原常務(wù)副院長、中國工程院院士潘云鶴、中國科學(xué)院院士陳國良、中國工程院院士李伯虎擔(dān)任聯(lián)盟名譽(yù)理事長，中國工程院院士譚建榮擔(dān)任聯(lián)盟理事長。聯(lián)盟工作接受工信部、國家網(wǎng)信辦等政府部門行政管理和業(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高校人工智能與大數(shù)據(jù)創(chuàng)新聯(lián)盟專家委員會及理事會資源，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，同時面向全國開展人工智能業(yè)務(wù)。華算人工智能研究院名譽(yù)院長由中國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、專家智庫等6個職能部門。歡迎加入華算人工智能研究院專家智庫，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

全國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（簡稱:高校區(qū)塊鏈專委會），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)、中國網(wǎng)安、海豚大數(shù)據(jù)科技等全國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)會員70多家。中國工程院院士、浙江大學(xué)教授陳純擔(dān)任高校區(qū)塊鏈專委會名譽(yù)顧問；福州大學(xué)教授蔡維德、中國計(jì)算機(jī)學(xué)會區(qū)塊鏈專委會主任斯雪明教授、中國人民銀行數(shù)字貨幣研究所副所長狄剛擔(dān)任高校區(qū)塊鏈專委會名譽(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)塊鏈專委會主任。高校區(qū)塊鏈專委會主要工作是促進(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

全國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（簡稱:高校元宇宙專委會），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、英偉達(dá)中國、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名譽(yù)顧問；中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)電氣與自動化學(xué)院名譽(yù)院長、中國航天科工集團(tuán)有限公司科技委高級顧問李伯虎擔(dān)任高校元宇宙專委會名譽(yù)主任；清華大學(xué)信息國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主任委員。目前已發(fā)展高校及企業(yè)會員30多家。高校元宇宙專委會主要工作是促進(jìn)高校元宇宙教育、加強(qiáng)校企合作、推動元宇宙專業(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

全國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（簡稱:高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會），是由華算人工智能研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國人民大學(xué)、中國社會科學(xué)院信息化研究中心、四川大學(xué)、北京外國語大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京語言大學(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、中國社會科學(xué)院信息化研究中心主任姜奇平、中國科學(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)專委會主任委員。高校數(shù)字經(jīng)濟(jì)專委會主要工作是促進(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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