2019-12-20

北京大学微纳电子学系6篇论文在IEDM 2019大会发表

        近日,以北京大学信息科学技术学院微纳电子学系为第一作者单位的6篇论文在美国旧金山举行的第65电气电子工程师学会(IEEE)国际电子器件会议(IEDM 2019)上发表。参会的北京大学师生与世界各地的研究人员进行了充分的交流,向国际电子器件领域的同行展示了北京大学最新的研究成果。这6篇论文内容涉及新型神经形态器件、器件的涨落可靠性、新型沟道材料晶体管等多个学术前沿领域,详细介绍如下:

一、新型神经形态器件研究

受人脑运算模式启发构建的存算一体、高度并行的分布式事件驱动脉冲神经网络具有功耗低、能效高、学习速度快、泛化能力强等优势。然而,目前基于传统CMOS或新型器件实现的具备兴奋和抑制连接的随机神经元需要至少两倍于兴奋神经元的极高硬件开销,不利于高密度、大规模脉冲神经网络集成。黄如院士和黄芊芊研究员团队在国际上首次提出并利用铁电材料的极化翻转动态特性与本征随机特性设计且实验实现了超低硬件代价的兼备兴奋和抑制连接的随机神经元,仅需两个晶体管加一个电阻(传统CMOS实现方案至少需要两个电容加十六个晶体管)即可实现神经元兴奋和抑制信号的接收、响应以及神经元动态平衡行为,并保证了神经元的随机性。在此基础上,进一步演示了由该神经元构成的无监督脉冲神经网络在聚类和高精度推断任务中的应用潜力,为大规模、高集成的低功耗神经形态计算芯片奠定了重要基础。该工作以《面向脉冲神经网络的超低硬件开销兴奋与抑制连接Leaky-FeFET无电容随机脉冲神经元》(Capacitor-less Stochastic Leaky-FeFET Neuron of Both Excitatory and Inhibitory Connections for SNN with Reduced Hardware Cost)为题发表(博士生罗金为第一作者)。

基于闪存(flash memory)的存内计算技术能够实现存储计算融合,加速深度神经网络计算。为了进一步提升计算能效比和降低硬件开销,能够实现多比特权值存储的突触器件至关重要。针对闪存器件多比特权重存储的实现及保持特性的退化问题,黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从物理机制出发,提出了动态漏端电压编程方法实现精确、高效的突触权重存储,并对其保持特性的退化进行实验分析和物理建模,提出了新的突触单元结构和权重存储方式以改进基于多比特闪存的深度神经网络的可靠性。该工作以《面向深度神经网络的多比特闪存存储可靠性研究》(Storage Reliability of Multi-bit Flash Oriented to Deep Neural Network)为题发表(博士生项亚臣为第一作者)。

二、器件的涨落可靠性及应用研究

纳米尺度下的统计涨落以及含时可靠性问题成为制约器件及电路性能的主要原因之一,为实现高效而可靠的器件电路协同设计,刘晓彦和杜刚教授团队提出了基于缺陷行为的涨落及可靠性感知的协同设计方法,并对先进节点下的纳米片场效应晶体管及其不同电路应用进行成功展示。该方法利用基于缺陷行为的三维蒙特卡洛仿真器以及单缺陷映射建立了电学特性退化与电路操作的感知数据库,该数据库结合提出的延时模型可用于快速统计地预测电路延时演变以及潜在的关键路径筛选。该工作以《高效涨落及可靠性感知的器件电路协同设计:从缺陷行为到电路性能》(Efficient Variability- and Reliability- aware Device-Circuit Co-Design: From Trap Behaviors to Circuit Performance)为题发表(博士生陈汪勇为第一作者)。

可以利用阻变器件天生的涨落特性产生高效地产生随机数,实现随机计算。但是阻变器件作为随机数生成器存在转变概率不稳定且难以预测的问题,黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从阻变器件的本征涨落出发,分析了阻变器件转变概率不稳定背后的物理图像,建立了阻变器件概率转变特性模型,提出了阻变随机数生成器的优化操作方案,利用阻变器件产生了稳定的随机数流。该工作以《面向生成稳定准确的随机位流的阻变器件物理基概率转变模型》(A Physics-based Model of RRAM Probabilistic Switching for Generating Stable and Accurate Stochastic Bit-streams)为题发表(博士后赵钰迪为第一作者)。

三、新型沟道材料晶体管研究

超薄沟道宽禁带氧化物半导体具备优越的短沟道效应免疫能力,吴燕庆研究员和黄如院士团队成功制备了3.5 nm沟道厚度15 nm沟长的高性能超薄氧化铟锡晶体管,在0.5 V的工作电压下,其开态电流超过970 μA/μm,开关比接近1011次方。此开态电流与开关比均远超同类器件。同时实现了单阶延迟为0.49 ns的五阶环形振荡器,为国际最好水平。工艺温度低于200摄氏度,与硅基集成电路后道工艺所兼容,可用于未来三维集成。该工作以《工作电压0.5 V开态电流超过970 μA/μm与开关比接近1011次方的后道工艺兼容的15nm沟长超薄氧化铟锡晶体管》(BEOL Compatible 15-nm Channel Length Ultrathin Indium-Tin-Oxide Transistors with Ion = 970 μA/μm and On/off Ratio Near 1011 at Vds = 0.5 V)为题发表。

同样基于上述超薄沟道氧化铟锡沟道材料,吴燕庆研究员和黄如院士团队在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上制备了160 nm沟长的柔性射频器件,实测截止频率为2.1 GHz,最大振荡频率为3.7 GHz,性能为之前同类器件10倍以上。该器件在10mm弯曲半径下弯折五万次,在1mm弯曲半径下弯折一千次,其直流与射频特性仍能保持正常工作状态。该工作以《工作在极端弯曲条件下的高性能吉赫兹柔性射频晶体管》(High Performance Gigahertz Flexible Radio Frequency Transistors with Extreme Bending Conditions)为题发表。

以上论文的相关研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、重点基金、优秀青年基金、国家重点研发计划、高等学校学科创新引智计划等项目的资助,以及北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室、微电子器件与电路教育部重点实验室等基地平台的支持

背景链接:具有六十多年历史的IEDM是微电子器件领域的顶级会议,在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力,被外媒誉为微电子器件领域的奥林匹克盛会。该会议主要报道国际半导体技术方面的最新研究进展,是著名高校、研发机构和英特尔、IBM等企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台之一。近年来,集成电路技术领域的许多重大技术突破都是通过该会议正式发布的。北京大学已经连续13年在IEDM大会上发表论文,表明我校在该领域的研究水平持续保持在国际前沿之列。


返回