中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-005）———可媲美脑计算的非线性新器件

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工作简介

         ——可媲美脑计算的非线性新器件

人脑在20 瓦特的能量消耗下即可进行高度智能计算，其主要原因在于单个神经元细胞具备多种线性和非线性运算功能。长期以来，科学家一直采用传统晶体管电路来模拟人脑中的突触及神经元功能实现神经形态计算。然而，由于布尔逻辑运算需要多个器件组合才能实现，不仅需要大量硬件资源开销，而且在执行信息处理过程中极为耗能，远不及神经元细胞计算的高效性。

针对具有重大需求的类脑神经形态技术，复旦大学微电子学院周鹏教授与中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员利用二维原子晶体的双极性固有特征，实现了单晶体管基非线性逻辑运算，为高性能低功耗智能系统的发展提供了新的技术途径。相关成果以《二维材料类神经晶体管逻辑门》（Logic gates based on neuristors made from two-dimensional materials）为题于北京时间6月7日发表于国际顶尖期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00591-z）。

目前，国内研发的达尔文芯片在25平方毫米面积上已可集成500万晶体管，可模拟2048个仿生神经元功能；IBM推出的类脑芯片TrueNorth利用54亿晶体管构建了100万个可编程神经元和2. 56亿个突触。但是，由传统器件构成的系统随着突触或神经元单元增多，所需晶体管数目呈现指数式增长，严重制约了类脑神经形态计算芯片的快速发展。因此，从实现人脑神经元功能出发，利用单晶体管获得非线性计算能力，将有希望构建真正意义上的“电子大脑”，实现高性能、低功耗的智能计算。

图1. 生物和晶体管单元在实现逻辑计算上的差异性.

周鹏教授与胡伟达研究员引入了二维材料的独特非掺杂极性特征，提出的新型类神经元逻辑晶体管在器件、系统层面上都展现出了巨大的应用优势：不同极性（双极性硒化钨、n型硫化钼以及p型黑磷）的单晶体管可模拟神经元细胞实现完整的布尔逻辑操作；基于不同新型器件的组合可以进一步构建高面积效率逻辑电路，物理面积节约最高可以达到78%；同时，新型类神经元逻辑器件可以构建三维“同或”逻辑阵列，将其应用于二值卷积神经网络（BCNN），仿真计算表示在同一技术平台上，该网络计算效率已经超过由忆阻器基存算一体技术构成的BCNN效率。

目前，基于类神经晶体管逻辑门的BCNN芯片正在推进实现中，具有可媲美脑计算的高功能密度、高效率以及低功耗等特点，将进一步满足物联网、人工智能等应用的发展需求。

研究工作主要由陈华威博士完成，薛晓勇副教授是共同第一作者，周鹏教授与胡伟达研究员是共同通讯作者。工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、应急重点项目及上海市集成电路重点专项等项目的资助，以及教育部创新平台和专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。

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作者简介

通讯作者

周鹏，教授，博士生导师。复旦大学微电子学院副院长，获2020年上海市青年科技杰出贡献奖和自然科学二等奖。

2019年获得国家自然基金委杰出青年资助，入选万人计划领军人才，先后受到科技部中青年创新领军人才、上海市“曙光人才”计划、国家自然基金委优秀青年基金以及上海市科技“启明星”计划资助。于2000年、2005年分别获复旦大学物理学学士和博士学位。2006-2007年在首尔国立大学Inter-大学半导体高级研究中心任访问学者。研究方向主要包括集成电路新材料、新器件及新机理，高速非易失性存储器，存算融合新器件新机理，新型逻辑存储集成技术等。主持了国家重大专项课题、自然科学基金、上海市教委科技创新重点项目、973子课题等多项国家部委科研项目。在国际一流学术期刊Nature Nanotechnology，Nature Electronics，Advanced Materials，IEEE Electron Device Letters等发表第一作者及通信作者论文100余篇。组织和受邀在国内外学术会议上报告40余次，包括Nature Conference Keynote报告以及中美华人纳米会议邀请报告。担任中国真空学会常务理事，中国物理学会半导体专业委员会委员，Infomat副主编。

通讯作者

胡伟达，男，博士生导师，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室研究员，国家重点研发计划和173基础加强项目首席科学家。

胡伟达研究员主要从事红外探测器机理及应用研究。获国家杰出青年科学基金、中国青年科技奖、国家“万人计划”青年拔尖人才计划、国家优秀青年科学基金、上海市优秀学术带头人、上海青年科技英才、上海市青年科技启明星等人才计划和奖励。现任Infrared Physics & Technology副主编、Opticaland Quantum Electronics执行主编。《红外与毫米波学报》、《红外技术》、《红外与激光工程》编委。在Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances等国际期刊共发表第一作者及通讯作者论文100余篇，授权中国发明专利19项。

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原文传递

详情请点击论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00591-z

《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。现任主编是中科院副院长、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。

“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。

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！

文章来源“半导体学报”公众号

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