普渡大学研究团队开发出一种能同时计算和存储的芯片

刘璐

学号19021110354T

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【嵌牛导读】处理器和存储器芯片通常由不同的制造代工厂单独生产，然后由系统工程师在印刷电路板上组装在一起以制造计算机和智能电话，这就是冯诺依曼50多年前确立的计算架构。随着技术的发展，存储计算分离的架构瓶颈越来越多，在传统计算过程中，计算单元需要将数据从存储单元中提取出来，处理完成后再写回存储单元。而存算一体则省去数据搬运过程，有效提升计算性能。相较于传统芯片，存算一体人工智能芯片具有能耗低、运算效率高、速度快和成本低的特点。普渡大学的工程师开发的方法是从材料的角度进行创新，实现了芯片在计算的同时也可以存储。

【嵌牛鼻子】存算芯片、材料创新、AI时代

【嵌牛提问】 以芯片为代表的集成电路产业被誉为是工业粮食，也是数字经济和信息交互不可或缺的核心技术，然而国内芯片行业一直受制于国外，新的时代拥有新的挑战和机遇，我们是否能紧紧把握住机会，也像存算一体芯片迈进？

【嵌牛正文】

　雷锋网按，AI 对算力提出了更高的要求，传统的芯片面临挑战，不过在量子计算和类脑计算获得长足发展之前，芯片算力的提升依旧依靠现有技术的提升和创新。存内计算芯片在AI时代中也获得了不少关注，不过普渡大学的工程师开发的方法是从材料的角度进行创新，实现了芯片在计算的同时也可以存储。研究人员称，未来如果这种芯片的进一步改进将有利于类脑计算的发展。

       计算机芯片使用两个不同的组件来处理和存储信息。如果工程师可以将两种组件组合成一个或彼此相邻放置，那么芯片上将有更多的空间，从芯片速度更快，性能更强大。

　　普渡大学（Purdue University）的工程师已经开发出一种方法，将用于处理信息的数百万个微型开关（通常称为晶体管）也能在芯片上进行信息的存储。

　　这种方法在《自然电子》上发表的一篇论文中进行了详细介绍，它通过解决另一个问题来实现这一目标：将晶体管与比大多数计算机中使用的性能更高的存储技术相结合，称为铁电性 RAM。

　　研究人员数十年来一直试图将两者整合在一起，但问题在于铁电材料和硅（构成晶体管的半导体材料）之间的界面。另外，铁电 RAM 作为片上的独立单元运行，从而限制了其大幅提升计算效率的潜力。

　　由普渡大学电气与计算机工程教授 Peide Ye，Richard J. 和 Mary Jo Schwartz 带领的团队发现了如何克服硅与铁电材料之间致命的敌对关系的方法。

　　“我们使用了具有铁电特性的半导体。两种材料就变成一种材料，这样就不必担心接口问题。” Ye 说。

　　结果就成为了所谓的铁电半导体场效应晶体管，其构建方式与当前计算机芯片上使用的晶体管相同。

　　α硒化铟材料不仅具有铁电性能，而且还解决了“ 禁带宽度 ” 通常充当绝缘体而不是半导体常规铁电材料的问题，这意味着电流无法通过并且没有计算发生。

　　α-硒化铟的禁带宽度小得多，这使得这种材料成为半导体而不会失去铁电性能。

　　普渡大学电气和计算机工程博士后研究员 Mengwei Si构建并测试了该晶体管，发现其性能可与现有的铁电场效应晶体管相媲美，并表示通过一步优化性能还会更好。普渡大学电气与计算机工程助理教授 Sumeet Gupta，获得博士学位的 Atanu Saha 对建模提供了支持。

　　Si 和 Ye 的团队还与佐治亚理工学院的研究人员合作，将α-硒化铟建立在称为铁电隧道结的芯片空间中，工程师可以利用该空间来增强芯片的功能。该团队在 12 月 9 日在 2019 IEEE 国际电子设备会议上介绍了这项研究工作。

　　过去，研究人员无法建立高性能的铁电隧道结，因为它的宽带隙使材料太厚，无法通过电流。由于α-硒化铟的带隙小得多，因此该材料的厚度仅为 10 纳米，从而可以允许更多的电流流过。

　　更大的电流可以让芯片的面积缩小至几纳米，从而使芯片的晶体管密度更高、更节能。Ye 补充表示，较薄的材料-甚至可以减小到原子的厚度，也意味着隧道结两侧的电极可以小得多，这对于构建模拟人脑的电路非常有用。