国际顶尖科学杂志《自然·电子学》（Nature Electronics）发表了武汉大学物理科学与技术学院院长何军在阻性神经形态计算硬件方面的最新进展，论文题为 “Memristors with analogue switching and high on/off ratios using a van der Waals metallic cathode”。
随着人工智能（AI）的飞速发展，尤其是ChatGPT等大模型的应用，数据呈现爆炸式的增长，对传统计算机的算力和能效提出了严峻的挑战。基于忆阻器的神经形态计算硬件因为其颠覆性的并行存算融合能力和模拟计算范式为AI提供有希望的解决方案。高效的神经形态计算需要具有大开/关比和大量可区分阻态的模拟忆阻器。然而，主流的离子型忆阻器存在开/关比和模拟阻性行为之间的权衡，即大开/关比总是伴随着突变的阻性行为和有限的阻态，而模拟阻性行为和小开/关比总是如影随形，很难获得大量可调制的阻态和高权重映射能力。同时实现大模拟开/关比和多阻态面临挑战。
常规的器件改性策略集中于阻性层和阳极的改性上，很难兼顾开/关比和模拟阻性行为，对于忆阻器阴极的设计和改性则很少被研究。何军教授研究团队创新性地提出采用允许离子插入/脱插的二维（2D）范德华(vdW)金属材料作为忆阻器阴极的策略，可以解决高开/关比与模拟阻性行为之间的矛盾。与传统阻碍离子渗透的惰性阴极不同，金属性2D vdW阴极允许原位的离子插入/脱插，由此引入额外的高扩散势垒来调控离子的运动，获得模拟阻性行为。与常规策略不同，这种vdW金属阴极的方法不会牺牲开/关比，可以在保持高达108的开关比的同时，实现超过8位的阻态和低至aJ级别的超低功耗。大开关比多阻态的模拟阻性行为确保了高精度芯片级别的卷积图像处理任务的成功执行，充分展示了基于2D vdW阴极策略的模拟阻性神经形态计算硬件在人工智能应用的潜力。
本重大进展是人工智能硬件研究领域的革命性重大突破，为人工智能硬件研究指明了全新的研究方向。
把握时代脉搏：武汉大学院长何军在神经形态计算硬件领域取得革命性进展
版主： Softfist
#3 Re: 把握时代脉搏：武汉大学院长何军在神经形态计算硬件领域取得革命性进展
《自然·材料》（Nature Materials）发表了武汉大学院长何军课题组在后摩尔时代先进技术节点器件高κ单晶栅介质方面的最新进展，文章题目为“High-κmonocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics”。
CMOS晶体管作为微电子芯片的核心单元，其物理特征尺寸的不断微缩一直是集成电路发展的主要动力。然而，随着集成电路向亚3 nm技术节点迈进，以硅锗为主导的晶体管的关键尺寸正逼近其物理极限。二维半导体因其独特的晶体结构和物理化学性质，成为后摩尔信息技术的研究前沿。但由于传统硅基非晶栅介质材料存在高密度的缺陷，难以与二维半导体沟道形成理想的异质界面，基于二维半导体的电子器件尚未发挥其理论预测的全部潜力。此外，受限于带隙与介电常数之间的反比关系，介电常数高的材料通常表现出较弱的介电强度。为破解这一倒置关系，开发兼具高介电常数与宽带隙的单晶栅介质将有助于提升二维晶体管的性能和可靠性，进而推动后摩尔低功耗芯片的实现。
何军研究团队通过范德华外延方法，成功制备出兼具高介电常数（~25.5）和宽带隙的单晶二维氧化钆薄膜，突破了介电材料普遍受限于带隙和介电常数之间的反比关系。在5 MV cm-1的电场作用下，等效氧化层厚度低至1 nm的二维氧化钆仍展现出超低的泄漏电流（10-4A cm-2），满足IRDS对低功耗器件的要求。进一步，通过范德华相互作用实现单晶氧化钆与二维半导体的无损集成，高κ介电环境以及高质量栅介质/半导体界面使所构筑的二维晶体管器件在低驱动电压下表现出优异的调控性能，开关比超过109，亚阈值摆幅趋近玻尔兹曼物理极限，且能很好的屏蔽短沟道效应。基于以上低功耗二维晶体管构建的反相器电路增益达到40，功耗低至3.5nW。
这一重大成果不仅是后摩尔时代先进技术节点器件的重大突破，它的推广有望形成最新“反卡脖子技术”。
CMOS晶体管作为微电子芯片的核心单元，其物理特征尺寸的不断微缩一直是集成电路发展的主要动力。然而，随着集成电路向亚3 nm技术节点迈进，以硅锗为主导的晶体管的关键尺寸正逼近其物理极限。二维半导体因其独特的晶体结构和物理化学性质，成为后摩尔信息技术的研究前沿。但由于传统硅基非晶栅介质材料存在高密度的缺陷，难以与二维半导体沟道形成理想的异质界面，基于二维半导体的电子器件尚未发挥其理论预测的全部潜力。此外，受限于带隙与介电常数之间的反比关系，介电常数高的材料通常表现出较弱的介电强度。为破解这一倒置关系，开发兼具高介电常数与宽带隙的单晶栅介质将有助于提升二维晶体管的性能和可靠性，进而推动后摩尔低功耗芯片的实现。
何军研究团队通过范德华外延方法，成功制备出兼具高介电常数（~25.5）和宽带隙的单晶二维氧化钆薄膜，突破了介电材料普遍受限于带隙和介电常数之间的反比关系。在5 MV cm-1的电场作用下，等效氧化层厚度低至1 nm的二维氧化钆仍展现出超低的泄漏电流（10-4A cm-2），满足IRDS对低功耗器件的要求。进一步，通过范德华相互作用实现单晶氧化钆与二维半导体的无损集成，高κ介电环境以及高质量栅介质/半导体界面使所构筑的二维晶体管器件在低驱动电压下表现出优异的调控性能，开关比超过109，亚阈值摆幅趋近玻尔兹曼物理极限，且能很好的屏蔽短沟道效应。基于以上低功耗二维晶体管构建的反相器电路增益达到40，功耗低至3.5nW。
这一重大成果不仅是后摩尔时代先进技术节点器件的重大突破，它的推广有望形成最新“反卡脖子技术”。
