（原标题：商讨团队用铁电材料开拓AI芯片，速率比东说念主脑快10000倍）
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由 DGIST 电气工程和盘算机科学系 Kwon Hyuk-jun 解说引导的商讨团队开拓了下一代 AI 半导体时间，该时间可效法东说念主脑在 AI 和神经时势系统中的成果。他们利器用有强电性能的氧化铪和二硫化锡薄层开拓了突触场效应晶体管，产生了一种三端神经时势建树，大约以访佛于神经元的样式存储多个级别的数据。
该商讨见效复制了短期和始终特色等生物特征，产生了一种高效建树，其反馈速率比东说念主类突触快 10，000 倍，何况耗尽很少的能量。
跟着以数据为中心的应用法度的爆炸性增长，对机器学习中的东说念主工智能（AI）时间和盘算才调的需求也在握住加多。在现活着俗使用的冯·诺依曼架构中，内存和逻辑区域的分离导致了数据无法同期处理和读取的瓶颈。现时用于机器学习和深度学习的东说念主工智能时间中的终止结构，由于需要在处理和存储建树之间来往多量数据，导致多量的恭候时辰和能源耗尽本钱。
]以数据为中心的盘算建树需要高性能、高能效和逻辑内存集成才调来守旧多样应用。这导致了复制东说念主脑结构的神经时势建树的出现，完结内存盘算并通过并行盘算和自安妥学习提供高能效和密采集并的逻辑内存功能。
多样建树已被建议动作完结神经时势盘算硬件的候选建树。但是，由于数据保留率低和非线性权重特色，它们中的大多数在骨子应用中濒临勤快。为了在神经时势系统中完结高精度，有必要开拓具有理思突触特色的建树。有多种候选材料，举例浮栅、陷坑充电和铁电材料，但褂讪性和可变性问题，举例线性/对称权重更新和景色数，仍然是骨子中节能神经时势盘算的主要窒碍应用法度。相同，较高的非线性会导致复杂的权重调制，并在考试经由中产生较高的能量和时辰本钱。比较之下，具有弥散数目景色的线性和对称权重更新操作不错灵验增强神经时势盘算的推理精度和可靠性。因此，提妙手工突触安设的线性度和对称性关于构建低功耗、高精度的东说念主工神经时势网罗是必要的。
铁电体有望通过惩办线性和对称性问题来惩办这些问题。铁电材料具有即使在莫得外部电场的情况下也能防守的自觉极化态，何况这种极化态不错通过外部电场考究地禁止以调制通说念的电导。铁电器件允洽完结神经时势器件，因为它们不错通过使用电压脉冲篡改极化景色来生成多级电流景色。但是，先前商讨的铁电基材料，举例钙钛矿基铁电体，存在极化跟着厚度减小而消散等问题，使得它们不允洽非易失性存储器。此外，关于锆钛酸铅（PZT）来说，需要逾越100 nm的厚度才能取得弥散的铁电性，何况Pb等蒸发性物资的扩散酿成的混浊不允洽互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，因此尽管它比浮栅存储晶体管更早被建议，但由于其好多谬误，它还莫得被贸易化。2011年在与CMOS兼容的HfO 2中发现铁电性加快了铁电场效应晶体管（FeFET）的商讨。基于HfO 2 的铁电晶体管关于制造具有与CMOS兼容且具有工艺可彭胀性的线性突触特色的器件相等有用。基于铁电体的神经时势器件在其变化特色方面具有上风，因为 FeFET 中电导率调制的发源是由铁电层中的部分极化切换禁止的。因此，通说念电导的可控性为开拓基于铁电模拟突触晶体管的神经时势硬件提供了契机。
由于其原子级薄的体积和出色的电子可调性，股票操盘二维材料因其广袤的远景而被磋商应用于神经时势盘算系统。此外，二维半导体以其薄而原始的主体提供了相等允洽袖珍化工艺的原子薄结构。此外，二维材料已发扬出对外部刺激高度明锐的物理特色，这使它们成为效法突触功能的有但愿的候选者。SnS 2反馈于施加到栅电极的电脉冲而发扬出高度褂讪的非易失性开关行径，使其相等适络续为非易失性存储通说念。最近的商讨标明，SnS 2不仅具有优异的电特色，而且发扬出相等低的截止电流景色，标明其动作低功耗高性能器件的后劲。
在本商讨中，使用 2D SnS 2薄膜和纳米级铁电材料制造 FeFET，以探索 SnS 2在突触器件中的后劲。所制造的 FeFET 具有多级数据存储才妥洽铁电磁滞，具有褂讪的数据保留才调。通过通过 FeFET 展示模拟增强和禁止特色，咱们展示了哄骗纳米级铁电和半导体材料动作神经时势硬件系统突触器件的后劲。所制造的 FeFET 器件发扬出褂讪且蔓延的保留时辰以及褂讪的轮回特色，在环境要求下 ±3 V 电压扫描时间具有 2 V 的大窗口。咱们还通过效法生物突触的能源学，举例焕发性/禁止性突触后电流（EPSC/IPSC）、配对脉冲促进（PPF）和始终增强/禁止，展示了铁电安设用于东说念主工突触的后劲。此外，还进行了改良的国度圭臬与时间商讨所（MNIST）模拟来评估硬件神经网罗的适用性，并进行能量盘算来评估此建树的低功耗特色。
千里积的铁电 HZO 薄膜的特色。
a) HR-TEM 图像露馅铁电 HZO 薄膜的厚度（15 nm）和使用 HR-TEM 的斜方晶系 HZO 微晶的横截面图像。比例尺，50 nm。插图露馅了斜方晶系 HZO 原子摆设的放大视图 [111]。
b) HZO 横截面的 EDS 绘画，刻画了千里积元素（铪、锆和氧）的散布。
c) HZO薄膜的PV回路。
d) 介电常数 – HZO 薄膜的 V 环。
e) 铁电 HZO 薄膜的解卷积 GIXRD 图案。
f) O 1s、g) Hf 4f、h) Zr 3d 的高分袂率 XPS 谱。
图片起原：《先进科学》 (2024)。DOI：10.1002/advs.202308588（下同）
突触拟态铁电 HZO-SnS 2晶体管。
a) 突触拟态 FeFET 暗示图。b) FeFET 的能带图以及使用脉冲禁止的调制机制的刻画。c) I ds - V g弧线展示了与带调制相对应的电导变化。d) 4 位 SnS 2 FeFET 在精准的 PRG/ERS 脉冲禁止下运转。e)露馅逆时针磁滞特色的铁电HZO基SnS 2晶体管和露馅顺时针磁滞特色的电介质HfO 2基SnS 2晶体管的I ds - V g环路的比较。
论断
在本商讨中，哄骗铁电HZO和2D半导体(SnS2)制备并表征了二维模拟突触场效应管。该团队的建树展示了具有多级数据存储属性(>7位)的内存盘算，并见效地效法了EPSC/IPSC， PPF和STDP等生物特色。SnS2 FeFET具有邃密的褂讪性、邃密的线性度和较高的Gmax/Gmin(>105)。高效和超低功耗的神经时势硬件，其亚飞焦耳(48 aJ/spike)和快速反馈(1μs)，由于迟缓切换铁电畴，比东说念主类突触(≈10 ms)快104倍。此外，咱们的建树中的东说念主工神经网罗模拟标明，哄骗其内存盘算属性，在MNIST手写数据集上的模式识别率为94%。在ffet中，存储器和盘算的集成结构使器件高度紧凑和节能。表1露馅了咱们的器件的特色以及最近报说念的三端突触晶体管的典型特色。与表1比较，本商讨露馅的总体优胜末端标明，SnS2和HZO结构可能是神经时势盘算中突触结构的有眩惑力的候选者。此外，该安设联想聚集了2D材料和具有高介电常数的铁电HZO，允许超薄的机身，因此在将来的发展中具有很大的但愿。
神经时势盘算中不同突触晶体管的性能比较
电气工程与盘算机科学系的 Hyuk-Jun Kwon 解说透露：“这项商讨标记着朝着需要低功耗和高速盘算的下一代盘算架构迈出了弥留一步。咱们开拓了高性能神经拟态硬件使用二维通说念和铁电氧化铪，这项更动有望在将来有多样东说念主工智能和机器学习有关的应用。”
该商讨发表在《先进科学》杂志上。
英文原文
https://techxplore.com/news/2024-03-generation-ai-semiconductor-devices-mimic.html
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202308588
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