憶阻器，AI芯片的新選擇

一項新的研究發(fā)現，通過(guò)將原子級薄型設備與傳統微芯片相結合，科學(xué)家們創(chuàng )造了模仿大腦的混合電子設備，可以幫助以比標準電子設備更節能的方式實(shí)施神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )人工智能系統。

隨著(zhù)電子產(chǎn)品變得越來(lái)越小，科學(xué)家們正在研究用于下一代電子產(chǎn)品的原子級薄二維材料。例如，石墨烯由單層碳原子組成，二硫化鉬由夾在兩層硫原子之間的一片鉬原子構成。

“二維材料不僅具有最先進(jìn)的電氣性能，而且還具有出色的熱、機械、光學(xué)和化學(xué)性能，這可能會(huì )產(chǎn)生現在不存在的新應用，”資深研究作者M(jìn)ario Lanza說(shuō)。 

多個(gè)研究團隊開(kāi)發(fā)了基于二維材料的原型設備。然而，沒(méi)有一個(gè)顯示出計算或存儲數據的能力。此外，它們的制造主要依賴(lài)于與標準工業(yè)技術(shù)不兼容的合成和加工方法。此外，操縱單層二維材料具有挑戰性，因為當將它們從它們生長(cháng)的表面轉移到對應用更有用的基板上時(shí)，可能會(huì )出現缺陷。這些缺陷降低了設備的一致性和產(chǎn)量。

現在，科學(xué)家們創(chuàng )造了他們所說(shuō)的第一個(gè)用二維材料制造的密集集成微芯片，所有這些都使用與半導體行業(yè)兼容的工藝?！拔覀儾粌H實(shí)現了優(yōu)異的性能，而且還實(shí)現了高產(chǎn)量和低可變性，”Lanza 說(shuō)。

在這項新研究中，研究人員對六方氮化硼進(jìn)行了實(shí)驗。這種原子級薄的陶瓷通常用作 2D 電子產(chǎn)品中的絕緣材料?！按蠖鄶等说膶?zhuān)長(cháng)是半導體，”Lanza 說(shuō)?！拔覀兪墙^緣體專(zhuān)家?！?/p>

科學(xué)家們希望克服以前基于二維材料的設備所面臨的許多挑戰。例如，Lanza 和他的同事并沒(méi)有試圖用二維材料制造晶體管，而是打算制造憶阻器。憶阻器或記憶電阻器本質(zhì)上是開(kāi)關(guān)，可以記住它們在電源關(guān)閉后切換到的電狀態(tài)。

“大多數團隊都專(zhuān)注于晶體管，可能是因為它們是電子產(chǎn)品的旗艦組件，”Lanza 說(shuō)?！跋喾?，我們專(zhuān)注于憶阻器，它目前的市場(chǎng)規模要小得多，但在數據存儲、計算、加密和通信方面也有巨大的潛力?！?/p>

全世界的科學(xué)家都希望使用憶阻器和類(lèi)似元件來(lái)構建像神經(jīng)元一樣可以計算和存儲數據的電子設備。當傳統微芯片在處理器和內存之間來(lái)回移動(dòng)數據時(shí)，這些憶阻設備可以大大減少能量和時(shí)間損失。這種受大腦啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)硬件也可能被證明是實(shí)現神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的理想選擇。這些人工智能系統越來(lái)越多地用于支持自動(dòng)駕駛汽車(chē)和分析醫學(xué)掃描等應用。

憶阻器是“容錯的簡(jiǎn)單設備”，Lanza 說(shuō)。相比之下，晶體管“需要完美的晶體材料，”他解釋道。Lanza 指出，憶阻器也不會(huì )遇到晶體管會(huì )遇到的其他問(wèn)題，例如接觸電阻——即它們與其他組件接觸點(diǎn)處的電阻。

此外，之前的大多數工作都依賴(lài)于只有一層或兩層厚的二維材料，而 Lanza 和他的同事使用了一片由大約 18 層組成的二維材料，總厚度約為 6 納米?！斑@種較厚的材料不容易開(kāi)裂，”Lanza說(shuō)。

此外，研究人員不是在傳統硅晶圓等空白基板上構建二維設備，而是在標準 CMOS 微芯片上制造二維設備。微芯片可以幫助控制憶阻器中的電流和開(kāi)關(guān)，這有助于成功制造二維設備。

制造用于計算的晶體管的研究人員通常使用所謂的前端步驟。相比之下，Lanza 和他的同事將他們的憶阻器構建在連接晶圓上設備的后端線(xiàn)路互連上。憶阻器通常以這種方式集成到微芯片上，“不同之處在于我們使用二維材料而不是其他材料，”Lanza 說(shuō)。

研究人員將多層六方氮化硼片轉移到 4 平方厘米硅微芯片的后端互連線(xiàn)上，該硅微芯片包含 200 毫米硅晶片上180 納米節點(diǎn)的 CMOS晶體管。接下來(lái)，他們通過(guò)蝕刻六方氮化硼并在頂部圖案化和沉積電極，用這種組合制造電路。這些電路每個(gè)都由 5×5 的交叉單元陣列組成，每個(gè)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)憶阻器組成。

研究人員指出，雖然大多數使用二維材料制造的設備尺寸都超過(guò) 1 平方微米，但新研究中的憶阻器僅為 0.053 μm 2 。如果有更先進(jìn)的微芯片可用，這些憶阻器“可以很容易地做得更小，”Lanza說(shuō)。

CMOS 晶體管有助于控制二維憶阻器上的電流。這有助于實(shí)現憶阻器約 500 萬(wàn)次開(kāi)關(guān)周期的耐用性，與現有的電阻式 RAM和相變存儲器大致相當。如果沒(méi)有 CMOS 晶體管，憶阻器只能承受大約 100 個(gè)周期。

研究人員展示了他們可以使用他們的設備執行內存計算操作，構建“or”和“imply”邏輯門(mén)。他們指出，他們可以通過(guò)修改設備之間的互連來(lái)運行更復雜的操作。

此外，科學(xué)家們指出，混合微芯片的電導率可以通過(guò)施加電脈沖動(dòng)態(tài)調整到不同的水平，這種特性稱(chēng)為尖峰時(shí)間依賴(lài)性可塑性。此功能表明該設備可以幫助實(shí)現尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )比傳統神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )更能模仿人腦。

尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵組件——“spike”，只有在給定時(shí)間內接收到一定數量的輸入信號后才會(huì )產(chǎn)生輸出信號。由于尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )很少觸發(fā)尖峰，因此與典型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相比，它們處理的數據要少得多，原則上需要更少的功率和通信帶寬?？茖W(xué)家們指出，傳統的電子設備不太適合運行尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，因此市場(chǎng)需要開(kāi)發(fā)新的神經(jīng)形態(tài)硬件來(lái)運行它們。

作為原理證明，研究人員使用他們的設備創(chuàng )建了一個(gè)尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，該設備具有 784 個(gè)輸入神經(jīng)元、一個(gè)由 400 個(gè)神經(jīng)元組成的興奮層和一個(gè)由 400 個(gè)神經(jīng)元組成的抑制層。當使用標準任務(wù)進(jìn)行測試時(shí)——對修改后的國家標準與技術(shù)研究所 (MNIST) 手寫(xiě)數字數據庫中的圖像進(jìn)行分類(lèi)——這個(gè)簡(jiǎn)單的設備仍然達到了大約 90% 的準確率。

科學(xué)家們指出，他們的設備需要大約 1.4 至 5 伏的電壓來(lái)進(jìn)行切換，這與二維材料領(lǐng)域的其他原型相比較低，后者可能需要超過(guò) 20 伏的電壓。不過(guò)，他們指出，這個(gè)電壓高于當時(shí)使用的電壓180 納米 CMOS 節點(diǎn)。然而，他們認為這個(gè)電壓可能不會(huì )阻礙這項技術(shù)的發(fā)展，因為有許多商業(yè)微芯片可以在更高的電壓下運行——例如，最先進(jìn)的 3D-NAND 閃存的編程電壓大約為 20 V，所有用于汽車(chē)應用的雙極 CMOS 微芯片都需要高達 40 V 的電壓。

此前，IBM 研究人員試驗了將 2D 材料放置在微芯片上的好處。2011 年，他們制造了一個(gè)包含一個(gè)石墨烯晶體管和兩個(gè)電感器的電路，并在 2014 年開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含三個(gè)石墨烯晶體管、四個(gè)電感器、三個(gè)電容器和兩個(gè)電阻器的更大電路，Lanza 說(shuō)。然而，IBM 顯然放棄了這種方法，“可能是因為難以轉移單層二維材料，”他說(shuō)。相比之下，Lanza 和他的同事使用了一種更耐用的 18 層厚材料。他預測“現在許多其他科學(xué)家將在功能性微芯片而不是非功能性 SiO2 基板上創(chuàng )建他們的原型，這將引發(fā)更多發(fā)現?！?/p>

Lanza 還指出，二維材料通常是材料科學(xué)家的領(lǐng)域，而不是芯片工程師的領(lǐng)域?！耙M(jìn)行我們所做的實(shí)驗，您需要使用特定軟件設計微芯片，然后進(jìn)行多項目晶圓流片，或者像我們的情況一樣，流片整個(gè)晶圓，”他說(shuō)?！叭绻闶褂?180 納米節點(diǎn)的 CMOS 技術(shù)，如我們的情況，第一個(gè)成本為 25,000 美元，第二個(gè)成本為 100,000 美元。許多研究小組不僅不能設計這個(gè)，他們甚至負擔不起。在我們的案例中，我在清華大學(xué)的同事提供了晶圓，我集成了材料?！?/p>

Lanza 指出，他們的研究已經(jīng)引起了領(lǐng)先半導體公司的興趣?？茖W(xué)家們現在的目標是超越 4 cm 2硅微芯片，“制造整個(gè) 300 毫米晶圓，”Lanza 說(shuō)。