隨著人工智能、邊緣計算和類腦計算的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)下“存儲與計算分離”帶來的“內(nèi)存墻”與能耗瓶頸問題日益突出。神經(jīng)形態(tài)計算通過在器件層面模擬生物神經(jīng)元和突觸的事件驅(qū)動式信息處理方式，被認(rèn)為是突破現(xiàn)有架構(gòu)限制的重要方向。憶阻器與鐵電/反鐵電器件因兼具可塑性與非線性，被廣泛視為構(gòu)建下一代類腦硬件的核心單元。

近日，山東大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)團隊聯(lián)合攻關(guān)，將“鐵電/反鐵電協(xié)同”理念拓展到單堆疊、一體化的Hf0.2Zr0.8O2（HZO）憶阻-反鐵電器件平臺，并首次在硬件層面構(gòu)建出卷積-脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Spiking Neural Network, CSNN），實現(xiàn)對靜態(tài)手語字母和動態(tài)手勢的高效識別，為低功耗、人機交互系統(tǒng)提供了新的解決方案。相關(guān)成果以“One-Step Annealing-Configured Hf0.2Zr0.8O2 Memristive ? Antiferroelectric Devices for Bioinspired CSNN Neuromorphic Computing”為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊 Nano Letters。山東大學(xué)集成電路學(xué)院研究生張謹(jǐn)昊、復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納創(chuàng)新學(xué)院研究生徐康力、路宸為論文共同第一作者，山東大學(xué)王天宇研究員、孟佳琳研究員和復(fù)旦大學(xué)陳琳教授為共同通訊作者。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04249

圖1 一步退火配置的 HZO 單堆疊器件與仿生 CSNN 系統(tǒng)示意

圖 2 Hf0.2Zr0.8O2薄膜在退火前后的結(jié)構(gòu)與相變演化

圖 3 TiN/HZO/TiN 憶阻器件特性

圖4 HZO 反鐵電器件人工神經(jīng)元特性

圖5 基于 CSNN-FiringCodeNet 的手勢解碼與識別結(jié)果

本研究工作基于TiN/ Hf0.2Zr0.8O2/TiN 堆疊結(jié)構(gòu)，通過一步快速熱退火配置，在同一材料體系內(nèi)分別獲得具有多電導(dǎo)態(tài)可調(diào)特性的憶阻突觸器件和呈現(xiàn)典型“雙回線”極化行為的反鐵電神經(jīng)元器件，構(gòu)建出工藝兼容、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的類腦硬件基礎(chǔ)單元。依托這一統(tǒng)一平臺，研究團隊搭建了卷積–脈沖混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CSNN）架構(gòu)：前端憶阻陣列實現(xiàn)卷積特征提取與權(quán)重存儲，結(jié)合潛伏期與相位等時間編碼策略，將空間特征轉(zhuǎn)換為稀疏脈沖序列，后端由反鐵電神經(jīng)元陣列完成時序模式識別，形成從材料、器件到系統(tǒng)架構(gòu)較為完整的一體化技術(shù)方案。

基于該器件優(yōu)異的性能表現(xiàn)，研究團隊進一步將其應(yīng)用于盲人動態(tài)手勢識別，在26 個字母手語及“Hello”“Thank you”“Yes”“No”等典型動態(tài)手勢進行了識別測試任務(wù)中，取得了97.9%的準(zhǔn)確率。該研究在統(tǒng)一材料平臺上協(xié)同實現(xiàn)“憶阻突觸–反鐵電神經(jīng)元–CSNN 系統(tǒng)”的設(shè)計思路，為低功耗人機交互、輔聽與可穿戴智能等應(yīng)用中的專用類腦芯片開發(fā)提供了可行路徑，也進一步拓展了基于 HfZrOx 系列器件開展神經(jīng)形態(tài)計算與多模態(tài)感知的研究邊界。

王天宇研究員

山東大學(xué)集成電路學(xué)院

作者介紹：王天宇，山東大學(xué)集成電路學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，國家集成電路創(chuàng)新中心顧問專家，國家博新計劃人才，山東省高層次人才，山東省泰山學(xué)者青年專家，山東省優(yōu)青，山東省青年科技人才托舉工程入選者，上海市青年英才。擔(dān)任The Innovation、Exploration、Chip、SmarBot等期刊青年編委，發(fā)表SCI論文100余篇，申請發(fā)明專利83項，其中第一/通訊作者論文60余篇，包括Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Science、Nano-Micro Letters, Angew. Chem. Int. Ed.、Applied Physics Reviews、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威期刊。研究方向為新型鐵電材料與存儲器、柔性憶阻器件與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、人工智能技術(shù)與類腦芯片。

孟佳琳研究員

山東大學(xué)集成電路學(xué)院

作者介紹：孟佳琳，山東大學(xué)集成電路學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，入選中國未來女科學(xué)家計劃、國家級青年人才、山東省優(yōu)青、山東省泰山學(xué)者青年專家、上海市青年科技英才。擔(dān)任國際期刊The Innovation、eScience、Research、Chip、JMST、Information & Functional Materials、Soft Science、Brain-X等20余個期刊青年編委，發(fā)表SCI高水平論文90余篇，申請國家發(fā)明專利100余項，包括Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Nano Energy、InfoMat、Advanced Electronic Materials、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等領(lǐng)域內(nèi)頂尖期刊。研究方向為光電感存算一體神經(jīng)形態(tài)器件、新型神經(jīng)突觸憶阻器/晶體管、柔性可穿戴電子與人工視覺系統(tǒng)。

陳琳教授

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院

作者介紹：陳琳，復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國家級領(lǐng)軍人才。致力于微納電子工藝和新型半導(dǎo)體功能器件領(lǐng)域研究，取得系列具有國際先進水平的科研成果。已發(fā)表高水平論文200余篇，申請發(fā)明專利100余項，相關(guān)成果在Nature Communications、IEDM、Science Advances、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Science、Angew. Chem. Int. Ed.、IEEE Electron Device Letters等國際頂尖SCI期刊上發(fā)表。所開展的研究工作獲得了國家中長期科技重大專項、國家自然基金委、上海市科委項目的資助，并獲得上海市青年“科技啟明星”、“晨光計劃”等人才項目。研究方向：集成電路新原理器件設(shè)計與先進CMOS工藝、新型存儲器件與存算一體技術(shù)、柔性電子器件與可穿戴技術(shù)、集成電路先進互連與三維集成技術(shù)。

來源：材料科學(xué)與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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