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微电子所在新型存储器件、模型及类脑计算方向取得突破性进展

稿件来源:重点实验室 张康玮 发布时间:2019-12-25

  近日,2019国际电子器件大会(IEDM)在美国旧金山召开。会上,微电子所刘明院士科研团队展示了新型存储器件(选通管、可编程二极管)、负电容晶体管紧缩模型、类脑神经元器件电路的最新研究成果。 

  在存储器件方面,刘明团队提出了一种基于HZO铁电薄膜极性反转调制的电场可编程二极管及1T2D结构的电压输出存储单元(图1)。针对二进制神经元网络(BNN)应用,提出了一种基于2T4D XNOR单元的无CSABNN架构,其单元面积小(16 F2),效率高(387 TOPS / W)。 

  在器件模型方面,刘明团队提出了一种基于表面势的连续的负电容晶体管(NCFET)紧缩模型(图2)。该模型结合了多筹作用朗道理论、极化弛豫的时间特性和半经典玻耳兹曼输运理论,首次得到没有任何经验拟合参数的表面势解析解。模型与数值解和实验吻合,成功嵌入SPICE进行电路仿真,为NCFET的设计-技术协同优化(DTCO)提供了很好的帮助。 

  在类脑计算方面,刘明团队基于具有MIT转变的NbOx器件构建了一种1T1R结构的脉冲神经元电路(图3),其输出脉冲发放频率与输入电压关系满足ReLU激活函数。利用该神经元电路构建了320×10的网络,实现了模拟神经网络(ANN)到脉冲神经网络(SNN)的转换,摒弃了传统神经网络中ADC的使用。在MNIST库上实现了与ANN相当的识别率。 

  基于上述成果的3篇研究论文入选2019国际电子器件大会。第一作者分别为罗庆副研究员、赵莹博士、张续猛博士。三篇论文的通讯作者分别为吕杭炳研究员和刘明院士,李泠研究员和刘明院士,杨建华教授、刘琦研究员和刘明院士。 

      IEEE国际电子器件大会始于1954年,现已成为全球报道半导体及电子领域最新的科技、研发设计、制造、物理学及建模技术的主要论坛,旨在为产学研界的研究学者提供关于电子器件最新研究进展和研究成果的国际交流平台。 

   

 

1 一种基于HZO铁电薄膜极性反转调制的电场可编程二极管(Field-Programmable Ferroelectric Diode)1T2D结构的电压输出存储单元

2 基于表面势的连续解析负电容场效应晶体管紧缩模型,首次得到了表面势连续解析解,在器件转移等特性与实验数据吻合,并成功用于电路仿真

3 一种基于NbOx器件的1T1R结构的脉冲神经元电路及输出特性。首次构建了320×10的硬件脉冲神经网络,实现了ANNSNN的转换,摒弃了ANNADC的使用

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