芯東西11月7日消息,，本周最新一期《Nature》期刊,，刊載了一種利用原子薄型半導(dǎo)體,，設(shè)計(jì)兼顧邏輯計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的芯片的方法,。通過把兩種功能結(jié)合于單一芯片結(jié)構(gòu),，這種新型芯片可以更高效地驅(qū)動(dòng)設(shè)備,，或能用于推動(dòng)AI方面的研究,。

　　這項(xiàng)研究突出了原子薄型半導(dǎo)體在開發(fā)下一代低功耗電子產(chǎn)品方面的巨大潛力。

　　這種芯片設(shè)計(jì)方法由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）納米電子與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（LANES）的團(tuán)隊(duì)研發(fā)，論文名稱為《基于一種原子級(jí)薄半導(dǎo)體的存儲(chǔ)器式邏輯計(jì)算（Logic-in-memory based on an automically thin semiconductor）》,。

　　本文福利：深耕內(nèi)存接口芯片市場(chǎng)十余年,，始終保持行業(yè)領(lǐng)先地位，瀾起科技如何在行業(yè)內(nèi)掀起波瀾,。推薦深度報(bào)告《匠心深耕十六載,，內(nèi)存接口芯片領(lǐng)先者》可在公眾號(hào)對(duì)話框回復(fù)【芯東西051】下載。

　　01

　　存內(nèi)計(jì)算：面向下一代低功耗芯片的解決方案

　　目前,，大多數(shù)計(jì)算機(jī)芯片基于馮·諾伊曼架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),，即數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程分別在同一芯片中的兩個(gè)不同單元進(jìn)行。

　　這意味著系統(tǒng)運(yùn)行過程中,，數(shù)據(jù)必須不斷在兩個(gè)單元之間進(jìn)行傳輸,，因此，數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元之間交換信息的速度成為影響系統(tǒng)性能的一大重要因素,。

　　隨著運(yùn)算要求不斷提高,，馮·諾伊曼架構(gòu)的弊端逐漸顯現(xiàn)：要處理不斷增多的運(yùn)算量，系統(tǒng)消耗的能源成本也將不斷攀升,。

　　針對(duì)這一問題,，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)指出，采用類似人腦計(jì)算方式的,、將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能集成在同一單元中的芯片設(shè)計(jì)方案,，將有望大幅降低馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)解決方案的計(jì)算成本。

　　從這一思路出發(fā),，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于單層二硫化鉬（MoS2）存儲(chǔ)器架構(gòu)的可重編程邏輯器件,。

　　根據(jù)論文，研究人員用這種結(jié)構(gòu)演示了一個(gè)可編程或非門（NOR）,，結(jié)果顯示這種設(shè)計(jì)可被擴(kuò)展到更加復(fù)雜的可編程邏輯和功能完整的操作集中,。研究人員認(rèn)為，這種芯片設(shè)計(jì)方法顯示出“原子級(jí)薄半導(dǎo)體在發(fā)展下一代低功耗電子產(chǎn)品方面的潛力”,。

　　02

　　基于單層二硫化鉬的浮柵存儲(chǔ)器

　　二硫化鉬是一種僅有三個(gè)原子厚度的單層二維材料,，也是一種對(duì)于電荷十分敏感的半導(dǎo)體材料。本項(xiàng)研究中,，研究人員使用大晶粒,、大面積金屬化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制備二硫化鉬。浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FGFETs）具備長(zhǎng)時(shí)間保存電荷的能力,，通常被用于制造相機(jī),、智能手機(jī)、電腦的閃存系統(tǒng),。

　　洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)利用二硫化鉬材料和浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的獨(dú)特電氣特性：二硫化鉬對(duì)儲(chǔ)存在浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電荷十分敏感,，這使研究人員能夠開發(fā)出既作為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元,、又作為可編程晶體管的電路。

　　論文指出,，二維過渡金屬二硫化物被視為實(shí)現(xiàn)規(guī)?；雽?dǎo)體器件和電路的一類候選材料。這是因?yàn)槎S過渡金屬二硫化物材料具備三大特性,，分別是：原子級(jí)厚度,、無懸空鍵（absence of dangling bonds）、增強(qiáng)型靜電控制（enhanced electrostatic control）,。

　　在二維過渡金屬二硫化物中,，單層二硫化鉬的直接帶隙尤其大。這意味著即使在納米尺度的柵極長(zhǎng)度和接近理論極限的情況下,，該材料也能以高的開/關(guān)電流比（約為10的八次方）降低待機(jī)電流,。

　　在這種情況下，基于單層二硫化鉬材料的浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,，可以實(shí)現(xiàn)12nm以下的積極縮放（aggressive scale）,，同時(shí)提高器件的可靠性。這要?dú)w功于浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管相鄰薄膜浮柵之間的原子級(jí)別厚度,，以及減少的單元間干擾,。

　　具體而言，研究人員制備的存儲(chǔ)器有一個(gè)局部為鉻材料疊加鉛材料的（厚度分別為2nm,、80nm）的底柵和一個(gè)5nm厚的薄膜鉑浮柵,，從而形成了連續(xù)而光滑的表面。通過降低金屬表面粗糙度,，存儲(chǔ)器頂部溝道氧化物和2D溝道之間界面的介電無序被降低,，以此提升模型的性能和可靠性。

　　03

　　結(jié)語：存內(nèi)計(jì)算成為未來AI計(jì)算一大趨勢(shì)

　　AI技術(shù)日益走出實(shí)驗(yàn)室,，承擔(dān)為千行百業(yè)賦能的角色。比如,，機(jī)器學(xué)習(xí),、物聯(lián)網(wǎng)等新興的技術(shù)，正使自動(dòng)駕駛,、語音識(shí)別等應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí),。

　　但是，在AI技術(shù)普及的過程中,，作為載體的硬件如何實(shí)現(xiàn)更高能效成為另一個(gè)亟待解決的問題,。面對(duì)傳統(tǒng)馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)下的高能耗問題，越來越多研究者正試圖通過云計(jì)算,、存內(nèi)計(jì)算等技術(shù)給出解決方案,。

　　云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理,。但是，云計(jì)算也面臨著數(shù)據(jù)隱私,、響應(yīng)延遲,、服務(wù)成本高等問題。相比之下,，存內(nèi)計(jì)算或能兼顧低能耗,、數(shù)據(jù)安全等各方面要求。