撰稿|由课题组供稿
随着边缘计算、大数据、人工智能等新兴信息技术产业的迅猛发展，计算设备对于数据高效处理的需求愈发迫切。在现有主流计算系统采用的冯·诺伊曼计算架构中，计算单元与存储单元在物理空间上呈现分离状态，且两者的运行速度严重不匹配，因此在处理信息时计算单元和存储单元间频繁的数据交换常常造成高功耗、低速度等问题。为了应对新兴技术对于大数据量计算任务的高效处理需求，工业界和学术界近年来提出了存内计算这一新范式，试图解决冯氏架构中存算分离所带来的算力和能耗瓶颈问题。其中，利用新型非易失存储器件（nonvolatile memory）的物理特性进行信息的存储和原位计算，从而实现存储和计算一体化，是极具潜力的一种存内计算的技术路线。
在该研究背景下，西安电子科技大学郝跃院士团队刘艳教授联合西北工业大学甘雪涛教授以及华中科技大学、澳大利亚UNSW Sydney、英国University of Warwick的研究人员于近日提出了一种新颖的存内计算原型器件-双栅铁电场效应晶体管，可在器件层面实现存内逻辑和人工神经突触功能，并用于构建多功能存内计算电路。研究人员利用有机铁电薄膜和多种二维过渡金属硫族化合物半导体原子晶体成功制备了高质量的双栅铁电场效应晶体管（如图1所示）。利用二维半导体的双极性特性以及独特的双铁电极化耦合功能，该器件分别实现了具有单晶体管结构的线性（AND，OR）和非线性（XOR）非易失布尔逻辑门以及人工神经突触（如图2, 3所示）。与具备类似功能的传统非易失存储器件相比，该技术实现布尔逻辑功能所需的器件数量开销和逻辑运算步骤（与基于IMP的逻辑运算模式相比）大大减少，且该器件可同时用作类脑突触。这些发现突显了双栅铁电场效应晶体管在开发存内逻辑和人工神经突触方面的前景，是下一代低功耗、高面积效率存内计算电路的理想候选器件。相关成果以“Dual-Ferroelectric-Coupling-Engineered Two-Dimensional Transistors for Multifunctional In-Memory Computing”为题，发表在ACS Nano上。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、面上项目以及国家重点研发计划的支持。
图1. 双栅铁电场效应晶体管的器件结构和工作机制。
图2. 基于双栅铁电场效应晶体管逻辑门集成的非易失半加器电路。
图3. 基于双栅铁电场效应晶体管的人工神经突触器件。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00079
罗拯东：西安电子科技大学微电子学院副教授，先后于西安交通大学和英国University of Warwick取得学士和博士学位，随后在比利时IMEC进行博士后研究。近年来主要围绕新型信息器件和先进半导体器件工艺开展研究，在Nature、AdvancedMaterials、Nano Letters、ACSNano等国际著名期刊上发表研究论文20余篇，在国际国内学术会议上多次做邀请报告。
刘艳：西安电子科技大学微电子学院教授、博士生导师，入选西安电子科技大学菁英计划与华山学者。刘艳教授团队长期从事新型半导体功能器件方面的研究，在微纳光子器件、后摩尔微电子新器件以及光电融合和集成方面进行了大量开拓性研究。现承担国家自然科学基金重大研究计划项目和重大项目、科技部重点研发项目等多项研究项目。在IEDM、IEEE EDL、Optics Express、Laser & Photonics Reviews等微电子与光电主流会议和期刊上发表论文150多篇,，申请专利40多项，做各类邀请报告10余次。
甘雪涛：西北工业大学物理科学与技术学院、微电子学院教授，博士生导师。主要从事微纳光子学、二维层状材料光电子学、光谱学等方面的基础和应用研究，致力于为新型光学信息处理、片上光学互连、光电子器件提供新理论、新技术。主持国家自然科学基金“优秀青年项目”，重大研究计划项目，在Nature Photonics、Light: Science & Applications、Optica等国际著名SCI期刊上发表论文100余篇。
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