近日，北京大學(xué)集成電路學(xué)院和浙江大學(xué)集成電路學(xué)院在芯片研究領(lǐng)域均取得了新的進(jìn)展。其中，北大研究團(tuán)隊(duì)在通用伊辛機(jī)的構(gòu)建上取得了突破性進(jìn)展，而浙大團(tuán)隊(duì)則提出了一種全二維材料范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdW）的晶體管。

北大課題組在憶阻器存算一體通用伊辛機(jī)芯片研究中取得新突破

伊辛機(jī)是一種用于求解組合優(yōu)化問題的退火處理器。它通過在芯片中模擬伊辛圖所代表的物理模型演化來實(shí)現(xiàn)對于組合優(yōu)化問題的求解。然而，目前大多伊辛機(jī)都利用芯片上固定的電路結(jié)構(gòu)代表伊辛圖中的自旋節(jié)點(diǎn)，僅能支持針對有限類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的伊辛圖進(jìn)行計(jì)算，也僅支持在有限規(guī)模下處理伊辛圖。現(xiàn)有研究中仍缺乏針對任意伊辛圖結(jié)構(gòu)的通用處理技術(shù)，這也限制了伊辛機(jī)進(jìn)一步推廣到更通用的組合優(yōu)化問題求解。

針對這一關(guān)鍵難題，黃如院士-楊玉超教授課題組首次提出了一種基于存內(nèi)計(jì)算、以連接為中心的通用伊辛機(jī)。

通用伊辛機(jī)的運(yùn)行范式展現(xiàn)出高能效與高可重構(gòu)性的特點(diǎn)

據(jù)“北京大學(xué)集成電路學(xué)院”介紹，基于北京大學(xué)與北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）有限公司自主研發(fā)的先進(jìn)憶阻器集成工藝，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制了高能效存內(nèi)伊辛計(jì)算芯片，并利用獨(dú)創(chuàng)的數(shù)據(jù)映射方法完成了對任意伊辛圖的組合優(yōu)化問題求解。

該工作首次實(shí)現(xiàn)了能夠處理任意伊辛圖結(jié)構(gòu)的通用伊辛機(jī)。當(dāng)問題規(guī)模增大時，其硬件開銷也顯著低于已有工作?；诖思夹g(shù)，本工作成功將伊辛機(jī)應(yīng)用于求解實(shí)際的電子自動化設(shè)計(jì)（EDA）問題。在版圖光罩劃分問題中，相比于在CPU上運(yùn)行的整數(shù)規(guī)劃算法可以實(shí)現(xiàn)90–65,550倍的加速。這一功能的實(shí)現(xiàn)展示了通用伊辛機(jī)更高效應(yīng)用于實(shí)際問題求解的潛力。

通用伊辛機(jī)應(yīng)用效果

在工作中，黃如院士-楊玉超教授課題組與北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）有限公司合作開發(fā)了40nm制程嵌入式憶阻器工藝，并設(shè)計(jì)研發(fā)了基于該工藝的憶阻器芯片。利用該芯片的伊辛機(jī)在最大割問題求解中相比于GPU可以達(dá)到4.56-7.32倍加速，在圖著色問題求解中達(dá)到442-1450倍加速，在能效方面相比通用GPU可以實(shí)現(xiàn)4.1X105–6.0X105倍提升。

北京大學(xué)集成電路學(xué)院表示，該工作開創(chuàng)了伊辛計(jì)算芯片的新范式，在伊辛機(jī)的實(shí)際應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了突破，為伊辛機(jī)芯片的實(shí)用化奠定了重要基礎(chǔ)。

浙大團(tuán)隊(duì)提出全二維無亞閾值擺幅晶體管

據(jù)“浙江大學(xué)集成電路學(xué)院”介紹，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院俞濱教授、徐楊教授、張亦舒研究員合作團(tuán)隊(duì)，提出了一種全二維材料范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdW）的晶體管，整合多種工作機(jī)制實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合，利用功能材料（MoS2、hBN、Gr）的集群行為實(shí)現(xiàn) “無亞閾值”工作，使得晶體管能夠直接從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，完全消除了亞閾值區(qū)域，表現(xiàn)出一個理想邏輯開關(guān)的電學(xué)特性。

通過在全二維材料vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)上集成憶阻器(閾值開關(guān))和場效應(yīng)溝道，展示了邏輯晶體管的近理想開關(guān)行為，表現(xiàn)為接近零的開關(guān)斜率(~0.33 mV/dec)、大開/關(guān)電流比(~107)和超低關(guān)態(tài)電流(~0.1 pA)。

該晶體管可以在無亞閾值模式下工作，這歸功于可調(diào)導(dǎo)通電壓以及閾值開關(guān)超陡阻變特性，消除了亞閾值區(qū)域，克服MOSFET中60 mV/dec的玻爾茲曼熱離子限制。該工作還系統(tǒng)地分析了CMOS反相器的開關(guān)動態(tài)特性，證明了由于無亞閾值操作而降低的動態(tài)/靜態(tài)功耗。此外還制備了晶圓級晶體管陣列。

“浙江大學(xué)集成電路學(xué)院”表示，雖然提出的無亞閾值晶體管是通過集成vdW二維材料來演示的，但這一概念的多功能性也反映在可替代溝道和閾值開關(guān)材料的選擇上，未來有可能在硅基CMOS芯片得到推廣應(yīng)用。

據(jù)悉，該工作得到了國家自然科學(xué)基金和省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（創(chuàng)新群體）的資助。

封面圖片來源：拍信網(wǎng)