北大團隊實現AI芯片領域重要突破 鐵電晶體管僅1納米、功耗最低！

來源：高校人工智能與大數據創新聯盟

據北京大學電子學院官方消息，北京大學在非易失性存儲器領域取得突破性進展。電子學院邱晨光-彭練矛團隊成功將鐵電晶體管物理柵長縮減至1納米極限，創造性地制備了迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，有望為AI芯片算力和能效提升提供核心器件支撐。相關研究成果在線發表于《科學·進展》上。

以下為文章原文：

電子學院邱晨光-彭練矛團隊研制出國際上最低功耗鐵電晶體管

北京大學在非易失性存儲器領域取得突破性進展。電子學院邱晨光-彭練矛團隊首次提出“納米柵超低功耗鐵電晶體管”。團隊通過精巧設計鐵電存儲的器件結構，引入納米柵極電場匯聚增強效應，研制出可在0.6V超低電壓下工作的鐵電晶體管，能耗降低至0.45 fJ/μm，并且將物理柵長縮減到1納米極限，為國際上迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，為構建高性能亞1納米節點芯片和高算力AI芯片架構提供了更具潛力的新物理機制存儲器件。該突破性成果以“Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V ”為題，在線發表于Science子刊《科學·進展》(Science Advances)。

文章截圖

邏輯器件和存儲器件是構建集成電路的兩大底層元器件。邏輯單元構成芯片的“運算與控制中樞”，存儲單元構成芯片的“數據倉庫”，兩者占集成電路市場規模的70%以上。在摩爾定律的驅動下，邏輯晶體管通過制程微縮和架構迭代，性能不斷提升，當前業界已實現2納米節點邏輯芯片量產，并且CMOS晶體管在0.7V的低電壓下工作。然而相比之下，非易失性存儲器幾十年來性能發展相對滯后，主流的非易失性Flash存儲技術難以微縮到先進節點；最為關鍵的是，Flash存儲需要在5V以上高電壓下完成數據擦寫。因此，現有芯片必須在邏輯單元和非易失存儲之間集成升降壓電路以完成工作電壓轉換，這帶來了額外面積開銷、能耗增加等一系列問題。更為重要的是，現代AI芯片架構的核心在于數據流優化，邏輯和存儲之間的電壓不匹配直接導致數據交互不暢通，嚴重拖累了AI芯片算力，并大幅增加了能耗。

邏輯與存儲芯片的電壓演進與業界兼容的納米柵鐵電存儲結構展望

鐵電晶體管利用鐵電材料的極化翻轉實現數據存儲，是后摩爾芯片技術中極具潛力的半導體存儲器，受到學術界和業界廣泛關注。憑借極化雙穩態存儲機制和三端晶體管結構，有望構建非易失性存算一體架構，實現存儲與高速計算的完美結合，是破解“存儲墻”和實現人工智能底層架構革新的關鍵新技術。然而迄今為止，受限于平板鐵電體矯頑電壓的物理限制，傳統鐵電晶體管仍需用1.5V以上電壓實現鐵電極化翻轉和數據擦寫。盡管優于Flash，但常規鐵電晶體管理論上無法降低電壓到0.7V以下，即無法匹配到邏輯電壓水平。如何實現亞0.7V的超低電壓存儲技術，是突破存儲墻瓶頸和提升AI芯片算力的關鍵。

納米柵鐵電晶體管的超低電壓電學表征

在本工作中，邱晨光-彭練矛團隊首次提出“納米柵鐵電晶體管結構”和“納米柵極電場增強機理”。通過優化器件結構，巧妙地將柵電極尺寸縮小到納米極限尺度。利用納米柵的尖端電場匯聚效應，在鐵電層中構建了高度局域化的強電場匯聚區，有效地放大了局部電場強度，大幅降低鐵電極化翻轉電壓，超越了常規平板鐵電體的矯頑電壓極限，打破了“低電壓與高矯頑電場不可兼得”的固有認知，實現了0.6V超低工作電壓，將鐵電存儲電壓降低到和邏輯電壓相當水平。研制的鐵電晶體管能耗水平低至0.45 fJ/μm，領先國際已有報道一個數量級，存儲速度接近1納秒。該研究在國際上首次發現鐵電晶體管具有反常的尺寸微縮優勢，即物理柵長微縮到極限1納米時顯著匯聚并增強了電場，極小柵極尺寸有效改善了鐵電存儲特性，充分表明鐵電存儲器在構建未來亞納米節點芯片具有顯著優勢。

納米柵鐵電晶體管的超低功耗機理分析

北京大學無線電電子學系創立于1958年，1996年更名為“北京大學電子學系”，2002年9月起為北京大學信息科學技術學院下設的教學單位，2021年11月12日正式成立“電子學院”。現有教職員工118人，其中教學科研人員102人，包括教授/研究員60人，副教授/副研究員35人，講師/助理研究員7人；中國科學院院士1人，長江學者獎勵計劃特聘教授6人，國家杰出青年科學基金獲得者10人，國家優秀青年科學基金獲得者11人，萬人計劃青年拔尖人才支持計劃入選者5人，國家級青年項目入選者18人，IEEE Fellow2人，973計劃/國家重大科學研究計劃/重點研發計劃首席科學家12人，“百千萬人才工程”國家級3人，北京市高等學校教學名師獎獲得者1人。現任院長中國科學院院士彭練矛。(來源：北京大學)

全國高校人工智能與大數據創新聯盟

全國高校人工智能與大數據創新聯盟（簡稱:高校聯盟）是由清華大學、浙江大學、中南大學、東北大學、上海工程技術大學、重慶郵電大學、東北林業大學、佛山科學技術學院、曲阜師范大學、黑龍江大學、海豚大數據科技等全國54家高校、企業共同發起，于2018年5月26日在北京中國科技會堂正式成立。迄今為止，聯盟發展會員300多家, 覆蓋全國20多個省市。聯盟由一批積極投身于“人工智能、大數據、區塊鏈”教育事業的高校、科研機構、企事業單位和個人自愿組成的公益性、全國性學術交流服務平臺。中國工程院原常務副院長、中國工程院院士潘云鶴、中國科學院院士陳國良、中國工程院院士李伯虎擔任聯盟名譽理事長，中國工程院院士譚建榮擔任聯盟理事長。聯盟工作接受工信部、國家網信辦等政府部門行政管理和業務指導。聯盟主要工作是推進產教融合、校企合作、協同育人。(加盟微信13651193492)

華算人工智能研究院

華算人工智能研究院全稱是“山西省華算人工智能研究院有限公司”，是經山西轉型綜合改革示范區管理委員會批準，于2023年10月在太原成立的第一批專業研究人工智能、賦能數字經濟產業發展的獨立法人組織。華算人工智能研究院依托全國高校人工智能與大數據創新聯盟專家委員會及理事會資源，按照山西省委省政府、山西轉型綜合改革示范區管理委員會發展人工智能、數字經濟的系列文件精神和工作計劃，將研究院打造成為山西省發展人工智能、數字經濟的示范應用推廣平臺，同時面向全國開展人工智能業務。華算人工智能研究院名譽院長由中國工程院院士李伯虎擔任。研究院內設AI產業學院共建中心、實訓實習就業中心、實驗室建設中心、專家智庫等6個職能部門。歡迎加入華算人工智能研究院專家智庫，共同賦能高校AI人才培養及產教融合事業發展。

高校區塊鏈專委會

全國高校人工智能與大數據創新聯盟區塊鏈專委會（簡稱:高校區塊鏈專委會），是由北京大學、浙江大學、武漢大學、西南財經大學、北京交通大學、鄭州大學、貴州大學、桂林電子科技大學、山西農業大學、佛山科學技術學院、陜西師范大學、中國網安、海豚大數據科技等全國40多家高校、企業和機構共同發起，于2019年12月7日在廣東省佛山市正式成立。目前發展高校及企業會員70多家。中國工程院院士、浙江大學教授陳純擔任高校區塊鏈專委會名譽顧問；福州大學教授蔡維德、中國計算機學會區塊鏈專委會主任斯雪明教授、中國人民銀行數字貨幣研究所副所長狄剛擔任高校區塊鏈專委會名譽主任；北京大學信息科學技術學院區塊鏈中心主任陳鐘教授擔任高校區塊鏈專委會主任。高校區塊鏈專委會主要工作是促進高校區塊鏈教育，為高校區塊鏈專業建設及學科發展提供專家咨詢服務。

高校元宇宙專委會

全國高校人工智能與大數據創新聯盟元宇宙專業委員會（簡稱:高校元宇宙專委會），是由清華大學、湖南大學、浙江大學、四川大學、汕頭大學、河北金融學院、保定市元宇宙協會、英偉達中國、海爾衣聯網研究院、海豚大數據科技(天津)有限公司等全國20多所高校、企業和機構共同發起，于2022年11月5日在北京正式成立。中國工程院院士、計算機軟件與虛擬現實領域專家趙沁平擔任高校元宇宙專委會名譽顧問；中國工程院院士、北京航空航天大學電氣與自動化學院名譽院長、中國航天科工集團有限公司科技委高級顧問李伯虎擔任高校元宇宙專委會名譽主任；清華大學信息國研中心可信軟件和大數據部常務副主任邢春曉擔任高校元宇宙專委會主任委員。目前已發展高校及企業會員30多家。高校元宇宙專委會主要工作是促進高校元宇宙教育、加強校企合作、推動元宇宙專業建設及學科發展，為元宇宙教育教學提供專家咨詢服務。

高校數字經濟專委會

全國高校人工智能與大數據創新聯盟數字經濟專業委員會（簡稱:高校數字經濟專委會），是由華算人工智能研究院、清華大學、北京大學、中國人民大學、中國社會科學院信息化研究中心、四川大學、北京外國語大學、北京科技大學、北京工業大學、北京語言大學、北京化工大學、北京聯合大學、北京物資學院、北京印刷學院、西藏民族大學、河北金融學院、重慶財經學院、蘇州城市學院、北京中關村軟件園、百度、海豚大數據科技等全國60多家高校、企業和機構共同發起，于2024年1月12日在北京正式成立。清華大學經濟管理學院教授姜旭平、北京大學信息管理系教授賴茂生、中國社會科學院信息化研究中心主任姜奇平、中國科學院大學經濟與管理學院教授呂本富擔任高校數字經濟專委會主任委員。高校數字經濟專委會主要工作是促進高校數字經濟專業建設及學科發展，推動產學研合作，為高校數字經濟專業教育教學提供專家咨詢服務。

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