中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-002）--全球首款多阵列忆阻器存算一体系统

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工作简介

——全球首款多阵列忆阻器存算一体系统

清华大学钱鹤、吴华强研究团队在国际上首次实现了基于多个忆阻器阵列的存算一体系统，在处理卷积神经网络（CNN）时的能效比图形处理器芯片（GPU）高两个数量级，大幅提升了计算设备的算力，在人工智能和物联网等领域具有广阔的应用前景。

多忆阻器阵列芯片硬件系统

随着人工智能应用对计算和存储需求的不断提升，如何通过计算存储一体化突破AI算力瓶颈，成为近年来国内外的研究难点。基于忆阻器的新型存算一体架构，可以打破算力瓶颈，满足人工智能等复杂任务对计算硬件的高需求。该团队针对忆阻器在器件性能优化和工艺集成中面临的瓶颈问题，提出一种采用热保护层调控氧空位分布的新机制，进而研制出一种具有高可靠性的新型忆阻器件，并解决了CMOS工艺兼容性问题，实现了忆阻器的大规模集成。该团队进一步针对存算一体架构在处理CNN时面临的精度下降和速度失配等问题，提出一种新型混合训练方法，在系统层次克服器件非理想特性带来的精度损失，在手写数字集（MNIST）上的识别精度达到96.19%；再结合空间并行机制，将卷积核复制到多组忆阻器阵列中，提高了并行度，实现了系统加速。在此基础上，成功验证了存算一体架构全硬件实现的可行性。

该研究成果以“Fully hardware-implemented memristor convolutional neural network”为题于2020年1月29日在线发表在nature上。清华大学微电子所吴华强教授是本论文的唯一通讯作者。

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主要作者简介

通讯作者

吴华强，教授，现任清华大学微纳电子系副系主任/微电子学研究所副所长，清华大学微纳加工平台主任，北京市未来芯片技术高精尖创新中心副主任。

2000年毕业于清华大学材料科学与工程系，获得工学学士学位；同年获清华大学经济管理学院管理学士双学位。2005年在美国康奈尔大学电子与计算机工程学院获工学博士学位。随后在美国AMD公司和Spansion公司非易失性存储器研发中心任高级研究员和主任研究员，从事先进非易失性存储器的架构、器件和工艺研究。2009年回国任教，加入清华大学微电子学研究所，研究领域为新型半导体存储器及类脑计算研究。
先后负责多项自然科学基金、863、973和重点研发计划项目，在Nature, Nature Communications, Nature Electronics, Nano Letters, Advanced Materials等学术期刊以及IEDM, ISSCC, VLSI等国际会议上发表论文100余篇，获得美国授权发明专利25项，中国授权发明专利60项。曾获2019年腾讯科学探索奖和2017年中国产学研合作创新成果奖等奖项。

第一作者

姚鹏，清华大学微纳电子系博士生。

2014年毕业于西安交通大学微电子学系，获得工学学士学位；现就读于清华大学微纳电子系，在钱鹤、吴华强课题组从事基于忆阻器的存算一体硬件实现研究，期间曾前往MIT进行联合培养。致力于基于忆阻器电路、架构和算法的协同优化，提升存算一体系统的算力和性能。 
以第一作者的身份在Nature, Nature Communications等学术期刊发表文章，同时一些成果在IEDM, ISSCC, VLSI等国际会议上进行报告。申请美国发明专利2项，中国发明专利4项。曾获清华大学博士生国家奖学金。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-1942-4

《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年改为全英文月刊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。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“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》在创刊四十年之际，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：[e-mail]，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。

文章来源 | “半导体学报”公众号

《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年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。

JOS定位于具有国际影响力的半导体科技领域旗帜性期刊，报道内容覆盖半导体物理、材料、器件、工艺和集成电路，发文方向包括但不限于：传统半导体相关理论、材料与器件；有机及钙钛矿半导体光电器件；半导体光电子器件及集成；微电子器件与集成电路；半导体自旋电子学；柔性电子学；半导体新能源；宽禁带半导体；半导体量子物理与器件；二维材料及器件物理。

JOS始终坚持办刊宗旨，面向国际半导体科学与技术前沿，及时报道半导体科技领域最新成果和进展，国际影响力不断提升，经过40年的发展，JOS已成为我国半导体科学与技术和相关领域最重要的学术传播和交流平台。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

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