中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-008）——基于存算一体硬件的无线数据传输系统
1
工作简介
——基于存算一体硬件的无线数据传输系统
南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授团队在基于存算一体硬件的无线数据传输系统方面取得重要进展，相关研究成果以“并行存内无线计算”（Parallel in-memory wireless computing）为题，于2023年5月8日发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）期刊上。
在数据爆炸的信息时代，广大用户的通信需求爆发式增长，无线通信技术快速地更新迭代，从2G到现在的5G、以及不远的6G，数据传输速度不断提高，而随着通信技术的快速发展，涌现出越来越多的智能移动终端，在这种能源受限的应用场景中，实现终端设备之间超低功耗的实时无线通信愈发重要。而在传统的无线数字通信技术中，用于执行信号处理算法的数字计算单元和用于发射、接收信号的模拟传输单元在硬件上是分离的，由于两个单元在不同的域工作，信号需要在数字域和模拟域之间不断地进行转换，导致巨大的能量损耗，极大削减终端设备的续航能力，如何设计出能够消除模数转换的陡峭界面，且可以同步完成信号的计算与传输的全新硬件是一个备受关注的议题。
面向上述挑战，本工作基于忆阻器的模拟存内计算特点，提出并实现了并行存内无线计算通信系统。相比于传统的数字无线通信技术，不仅在功能上将信号处理过程和信号传输过程合二为一，而且在功耗上有两个数量级的降低。在可拓展性方面，该工作展示了这种基于忆阻器交叉阵列的并行存内无线计算技术在多输入多输出无线电波、声学和光学无线通信中的巨大应用潜力。
首先，研究团队将基于忆阻器交叉阵列的并行存内无线计算技术和传统的数字无线通信技术进行了比较（图1a）。传统的数字无线通信技术中的信号处理在数字域完成，信号发射、接收则在模拟域完成。为了完成通信，信号需要在数字域和模拟域之间不断地进行陡峭转换，这种陡峭的转换界面导致了巨大的能量损耗；而并行存内无线计算技术将数字信号处理过程融合进信号传输过程，充分利用忆阻器交叉阵列的并行架构（图1b）和可编程态（图1c-d）去处理时变模拟信号上携带的数字数据，在模拟域完成信号处理，大幅平滑了数字域和模拟域之间的转换界面，能够显著地降低无线数字通信的能耗。
图1. 基于忆阻器交叉阵列的并行存内无线计算方法的示意图。
本工作展示了基于忆阻器交叉阵列的发射机和接收机（图2a, e）。在发射端，首先将待发送的数据存储至调制忆阻器交叉阵列上（图2b），再将正交子载波并行地输入到阵列中，经过调制忆阻器交叉阵列的调制作用可获得调制信号，最后经过射频模块可将调制信号发射到自由空间；在接收端，射频模块接收到的信号按照时序被施加在解调忆阻器交叉阵列上，经过解调忆阻器交叉阵列执行解调算法（图2g），可获得解调信号。
图2. 基于忆阻器交叉阵列的发射机和接收机。
在该工作中，研究团队利用忆阻器阵列作为硬件平台进行原理应用展示。值得注意的是，该并行存内无线计算技术可以被应用至包括相变存储器、铁电、闪存等在内的非易失存储器阵列中。该工作为解决未来万物互联时代所面临的大量低功耗终端设备之间的实时无线通信挑战提供了可行且通用的技术途径。该研究成果发表在Nature Electronics期刊上。
南京大学物理学院博士后王聪和博士生阮恭杰为论文共同第一作者，南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授、李遗祥副研究员为论文的共同通讯作者，共同作者还包括东南大学和紫金山实验室张在琛教授、张川教授、吴亮副教授，南京理工大学程斌教授等。该工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点/面上项目、中科院先导B项目、中央高校基本科研业务费、以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。
2
作者简介
第一作者
王聪，南京大学博士后。
研究方向为基于忆阻器的存内计算电路与系统。在Nature Nanotechnology、Nature Electronics等知名期刊上以第一作者发表学术论文数篇。获得INAUGURAL CHUA MEMRISTOR INSTITUTE CONFERENCE: THEORY, DEVICE AND APPLICATION（ICMIC 2019）、3rd IEEE International Workshop on Future Computing（IWOFC 2019）最佳海报奖。
第一作者
阮恭杰，南京大学物理学院在读博士。
研究方向为基于忆阻器的通信系统及应用。
通讯作者
缪峰，南京大学物理学院教授、博导、副院长，南京大学类脑智能科技研究中心主任，中国物理学会“黄昆物理奖”获得者，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才入选者，科睿唯安“全球高被引学者”，爱思唯尔“中国高被引学者”。
2004年本科毕业于南京大学物理系；2009年获美国加州大学河滨分校物理学博士学位，同年获得最佳博士毕业生奖；2009-2012年在美国惠普实验室（硅谷总部）任助理研究员；2012年全职回南京大学工作。主要从事二维材料的量子调控与信息器件、以及类脑计算研究，一作/通讯在Science、Nature、Nature Nano.、Nature Electronics、Phys. Rev. Lett.等国际学术期刊上发表论文，共发表SCI论文110余篇，总引用超过24000次；申请/授权美国及中国发明专利30余项。
通讯作者
梁世军，南京大学物理学院副教授。
2017年获得新加坡科技与设计大学哲学博士学位。研究兴趣包括二维电子材料的物性调控、异质结的器件物理、未来计算器件和系统应用等。截至目前，作为第一或通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Physical Review Letters、Science Advances、Advanced Materials、IEDM 等国际主流学术期刊和顶级会议上发表50多篇学术论文。研究成果已经被包括Semiconductor Today等半导体国际主流媒体跟踪报道。获得的荣誉包括：国际真空纳米电子学会“The Shoulders-Gray-Spindt (SGS) Award”、美国电气电子工程师协会的“优秀博士生奖”等。目前担任《Chinese Physics Letters》、《Chinese Physics B》、《物理学报》、《物理》四刊联合青年编委，还担任Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊的审稿人。
通讯作者
李遗祥，南京大学物理学院副研究员。
2019年获中国科学技术大学博士学位（硕博连读），获中国科学技术大学优秀毕业生、安徽省级品学兼优毕业生（省双优生）等荣誉。研究兴趣包括新型电子材料与信息器件、柔性电子器件与信息处理、类脑计算器件与集成应用等。研究工作主要发表在Nature Electronics、Small、ACS Sensors等国际期刊上。
3
原文传递
详情请点击论文链接：
《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2023年第四季直播讲座不定期举办，敬请关注。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
半导体学报公众号
长按二维码关注获得更多信息