清华微纳电子系任天令团队在极低功耗阻变存储
来源:蒙牛伊利网 发表于2019-07-19 21:36:32 编辑:林夕
摘要: 12月13日电12月4日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上宣布了题为《面向神经计算使用根据机械剥离二维钙钛矿资料

 

清华微纳电子系任天令团队在极低功耗阻变存储器研讨获得重要发展

 

清华微纳电子系任天令团队在极低功耗阻变存储器研讨获得重要发展

 

清华微纳电子系任天令团队在极低功耗阻变存储器研讨获得重要发展

12月13日电12月4日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上宣布了题为《面向神经计算使用根据机械剥离二维钙钛矿资料的极低作业电流阻变存储器》( Extremely Low Operating Current Resistive Memory Based on Exfoliated 2D Perovskite Single Crystals for Neuromorphic Computing )的研讨论文,完成了阻变存储器在10 pA极低作业电流下作业,其功耗仅为28 pW,远低于传统阻变存储器mW~nW量级的功耗。该器材的仿生突触能耗仅为400 fJ/spike,现已十分挨近人脑~1-100 fJ/spike的超低能耗,此项效果关于极低功耗的仿生神经计算具有重要意义。

现在摩尔定律现已进入10 nm技能节点,探究新式微纳电子器材极端必要,特别是近期AlphaGo等一系列人工智能(AI)技能的鼓起,为新一代微纳器材的研讨供给了新的思路。但是现在人工智能首要根据商用CPU开发人工智能软件算法,其杰出缺点是功耗极大,比方2019年的阿尔法狗(Alphago)选用了1202个CPU和176个GPU来模仿人脑的分析判断功用,功耗高达一万瓦。而人脑的功耗仅为10W。研讨将人工智能算法硬件化以完成低功耗将是新一代微纳器材研讨的重要方向。人工智能算法硬件化需要从底层探究新式仿生器材,为了完成器材的低功耗,需要让器材在极低电流下作业。

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图一. 新式二维钙钛矿单晶及剥离出来的高质量二维钙钛矿单晶薄膜。

任天令教授团队和普林斯顿大学巴里·兰德(Barry P. Rand)团队联合研宣布一种新式的二维钙钛矿单晶(PEA)2PbBr4。这种新式二维钙钛矿单晶的能带到达2.9 eV,在可见光下是通明的(图一)。? 根据新式的二维钙钛矿单晶,选用了机械剥离的方法获得了高质量二维钙钛矿薄膜,而且经过二维干法搬运的方法将石墨烯搬运到二维钙钛矿薄膜上面,构成了金/二维钙钛矿/石墨烯三明治结构(图二)。该作业完成了两个方面的立异:合成了一种全新的二维钙钛矿资料,具有较大的带隙,可以有用完成阻变存储器在极低电流下作业;经过机械剥离法获得了高质量二维钙钛矿单晶薄膜,可以有用防止缺点引起的漏电流。

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图二. 根据二维钙钛矿的阻变存储器器材结构和观察到的导电细丝。

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图三. 根据二维钙钛矿的阻变存储器可以作业在10pA极低电流下作业,其功能优于前人报导的功能。

在试验中,研讨人员首要选用原子力显微镜结合透射电子显微镜和能谱仪观察到了二维钙钛矿中~20nm直径的纳米导电细丝,而且发现了Br-离子移动构成Br-空位的依据。在此根底上,研讨人员测试了不同器材面积下和不同厚度的二维钙钛矿,获得了其初始构成导电细丝(Forming)所需的电场强度约为0.24 V/nm,而且完成了阻变存储器在10 pA电流下作业(图三)。比较于传统阻变存储器,研讨人员研制的阻变存储器作业电流明显低于前人报导的电流值。在此根底上,研讨人员发现根据该器材的仿生突触能耗仅为400 fJ/spike,并完成了短程回忆和长程回忆特性(图四),为未来使用于低功耗仿生神经计算打下了根底。?

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图四. 根据二维钙钛矿阻变存储器具有短程学习和长程学习特性。

近年来,任天令教授致力于研讨打破传统器材的局限性,为新一代微纳电子器材技能奠定根底,特别重视根据面向人工智能使用的二维资料根底研讨与使用探究,在根据二维资料的新式微纳电子器材方面获得了多项重要立异效果,如智能石墨烯人工喉、低功耗石墨烯阻变存储器、石墨烯仿生突触器材、栅控石墨烯阻变存储器、石墨烯耳机、可频率编码的仿生突触等,相关效果宣布在《天然·通讯》(Nature Communications)《先进资料》(Advanced Materials)《纳米快讯》(Nano Letters)《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)《电子器材快报》(IEEE EDL)等闻名学术期刊上。

清华大学微纳电子系助理教授田禾和美国普林斯顿大学博士生赵连锋是文章的一起榜首作者,清华大学微纳电子系任天令教授和普林斯顿大学巴里·兰德(Barry Rand)教授是论文的通讯作者。该研讨效果得到了国家天然基金重点项目和科技部项目的支撑。

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