一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，通過將原子薄器件與傳統(tǒng)的微芯片相結(jié)合，科學(xué)家們創(chuàng)造了模仿大腦的混合電子設(shè)備，可以幫助實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能系統(tǒng)，其能效遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備。

隨著電子產(chǎn)品越來越小，科學(xué)家們正在為下一代電子產(chǎn)品研究原子薄的2D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制成。

研究高級(jí)作者M(jìn)ario Lanza是位于沙特阿拉伯圖瓦爾的阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授，他說：“二維材料不僅具有最先進(jìn)的電氣性能，而且還具有優(yōu)異的熱、機(jī)械、光學(xué)和化學(xué)特性，這可能會(huì)產(chǎn)生目前尚不存在的新應(yīng)用。”

“Most people’s expertise is insemiconductors. We are experts in insulators.”
—Mario Lanza, King Abdullah University of Science and Technology

多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于2D材料的原型設(shè)備。然而，沒有一個(gè)顯示出計(jì)算或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。此外，它們的制造主要依賴于與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)技術(shù)不兼容的合成和加工方法。此外，操縱單層2D材料是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楫?dāng)將它們從生長(zhǎng)它們的表面轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)用更有用的襯底上時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)缺陷。這些缺陷降低了器件的一致性和成品率。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造了他們所說的第一個(gè)用2D材料制造的密集集成微芯片，所有這些都使用了與半導(dǎo)體行業(yè)兼容的工藝。Lanza說：“我們不僅取得了優(yōu)異的特性，而且還實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)量和低變異性。”

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員用六方氮化硼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這種原子級(jí)薄的陶瓷經(jīng)常被用作2D電子器件中的絕緣材料。“大多數(shù)人的專業(yè)知識(shí)都在半導(dǎo)體領(lǐng)域，”Lanza說，“我們是絕緣體方面的專家。”

科學(xué)家們希望克服以前基于2D材料的設(shè)備所面臨的許多挑戰(zhàn)。例如，Lanza和他的同事們沒有試圖用2D材料制造晶體管，而是致力于制造憶阻器。憶阻器，或稱記憶電阻器，本質(zhì)上是一種開關(guān)，可以在電源關(guān)閉后記住它們被切換到哪種電狀態(tài)。

Lanza說：“大多數(shù)團(tuán)隊(duì)都專注于晶體管，可能是因?yàn)樗鼈兪请娮赢a(chǎn)品的旗艦部件。相反，我們專注于憶阻器，它目前的市場(chǎng)規(guī)模要小得多，但在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、加密和通信方面也有巨大的潛力。”

世界各地的科學(xué)家希望使用憶阻器和類似的組件來制造像神經(jīng)元一樣既能計(jì)算又能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電子設(shè)備。當(dāng)傳統(tǒng)的微芯片在處理器和存儲(chǔ)器之間來回?cái)噥y數(shù)據(jù)時(shí)，這些憶阻器件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(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。這些人工智能系統(tǒng)越來越多地被用于支持自動(dòng)駕駛汽車和分析醫(yī)療掃描等應(yīng)用。

Lanza說，憶阻器是“能夠容忍缺陷的簡(jiǎn)單設(shè)備”。相比之下，晶體管“需要完美的晶體材料”，他如此解釋道。此外，之前的大多數(shù)工作都依賴于只有一兩層厚的2D材料，Lanza和他的同事使用了一張由大約18層組成的2D材料片，總厚度約為6納米。Lanza說：“這種較厚的材料不那么容易破裂。”

此外，研究人員沒有在空白基板（如傳統(tǒng)的硅晶片）上制造2D器件，而是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS微芯片上制造2D設(shè)備。微芯片可以幫助控制憶阻器中的電流和開關(guān)，這有助于成功地制造2D器件。

制造用于計(jì)算的晶體管的研究人員通常使用所謂的前端線步驟。相比之下，Lanza和他的同事在連接晶圓上器件的線路互連的后端建造了憶阻器。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了2D材料而不是其他材料，”Lanza說。

研究人員將一層六方氮化硼多層片轉(zhuǎn)移到4平方厘米硅微芯片的后端線互連上，該芯片包含200毫米硅片上180納米節(jié)點(diǎn)的CMOS晶體管。接下來，他們通過蝕刻六方氮化硼并在頂部構(gòu)圖和沉積電極，用這種組合制造電路。這些電路每個(gè)都由5乘5的交叉單元陣列組成，每個(gè)交叉單元陣列由一個(gè)晶體管和一個(gè)憶阻器組成。

研究人員指出，盡管大多數(shù)使用2D材料制造的器件尺寸超過1平方微米，但新研究中的憶阻器只有0.053μm2。Lanza說，這些憶阻器“如果有更先進(jìn)的微芯片，可以很容易地制造得更小”。

CMOS晶體管有助于控制2D憶阻器上的電流。這有助于實(shí)現(xiàn)約500萬次開關(guān)循環(huán)的憶阻器壽命，與現(xiàn)有的電阻RAM和相變存儲(chǔ)器大致相當(dāng)。在沒有CMOS晶體管的情況下，憶阻器只經(jīng)歷了大約100次循環(huán)。

研究人員表明，他們可以用設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存計(jì)算操作，構(gòu)建“或”和“暗示”邏輯門。通過修改設(shè)備之間的互連，他們可以運(yùn)行更復(fù)雜的操作。

此外，科學(xué)家們注意到，通過施加電脈沖，混合微芯片的電導(dǎo)率可以動(dòng)態(tài)調(diào)整到不同的水平，這種特性被稱為尖峰時(shí)間依賴性塑性。這一特征表明，該設(shè)備可以幫助實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更接近模仿人腦的尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組件是“尖峰”，也就是說，只有在給定時(shí)間內(nèi)接收到一定量的輸入信號(hào)后，才會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。由于尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很少發(fā)射尖峰，因此與典型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，它們的數(shù)據(jù)量要少得多，原則上所需的功率和通信帶寬也要少得多。科學(xué)家們指出，傳統(tǒng)的電子設(shè)備不太適合運(yùn)行尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致市場(chǎng)需要開發(fā)新的神經(jīng)形態(tài)硬件來運(yùn)行它們。

作為原理的證明，研究人員使用他們的設(shè)備創(chuàng)建了一個(gè)尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用Modified National Institute of Standards and Technology（MNIST）手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的圖像進(jìn)行分類測(cè)試時(shí)，這種簡(jiǎn)單的設(shè)備仍然實(shí)現(xiàn)了大約90%的準(zhǔn)確率。

科學(xué)家們注意到，他們的設(shè)備需要大約1.4到5伏的開關(guān)電壓，與2D材料領(lǐng)域的其他原型相比，這一電壓較低，后者可能需要超過20伏的電壓。盡管如此，他們注意到這一電壓高于180nm CMOS節(jié)點(diǎn)處使用的電壓。然而，他們認(rèn)為這種電壓可能不會(huì)阻礙這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)橛性S多商業(yè)微芯片在更高的電壓下工作，例如，最先進(jìn)的3D-NAND閃存在大約20伏的電壓下編程，所有用于汽車應(yīng)用的雙極CMOS微芯片都需要高達(dá)40伏的電壓。

此前，IBM的研究人員曾試驗(yàn)過在微芯片上放置2D材料的好處。Lanza說，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年開發(fā)了一個(gè)更大的電路，其中包含三個(gè)石墨烯晶體、四個(gè)電感器、三個(gè)電容器和兩個(gè)電阻器。然而，IBM顯然放棄了這種方法，“可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)移單層2D材料的困難，”他說。相比之下，Lanza和他的同事使用了一種更耐用的18層厚的材料。他預(yù)測(cè)，“現(xiàn)在許多其他科學(xué)家將在功能性微芯片上而不是非功能性SiO2襯底上創(chuàng)建他們的原型，這將引發(fā)更多的發(fā)現(xiàn)。”

Lanza還指出，2D材料通常屬于材料科學(xué)家，而不是微芯片工程師。他說：“要做我們做的實(shí)驗(yàn)，你需要使用特定的軟件設(shè)計(jì)一個(gè)微芯片，然后制作一個(gè)多項(xiàng)目的晶圓帶，或者像我們的情況一樣，制作一個(gè)完整的晶圓。如果你使用180納米節(jié)點(diǎn)的CMOS技術(shù)，就像我們的情況一樣，第一個(gè)成本為25000美元，第二個(gè)成本為100000美元。許多研究小組不僅無法設(shè)計(jì)這個(gè)，他們甚至負(fù)擔(dān)不起。在我們的案例中，清華大學(xué)的同事提供了晶圓，我集成了材料。”

Lanza提到，他們的研究已經(jīng)吸引了領(lǐng)先半導(dǎo)體公司的興趣。科學(xué)家們現(xiàn)在的目標(biāo)是超越4平方厘米的硅微芯片，“制造整個(gè)300毫米的晶圓”。

科學(xué)家們?cè)?月27日的《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

審核編輯 ：李倩