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    中心新聞
    《科學》刊發最新成果:相變存儲異質結器件突破神經元計算協同性瓶頸
    作者:   時間:2019-08-23

         北京時間2019年8月23日,美國《科學》雜志在線發表了西安交通大學與深圳大學、美國約翰霍普金斯大學的合作論文——Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation(超低噪聲與漂移的相變異質結存儲器)DOI: 10.1126/science.aay0291。

         隨著人工智能、大數據、超級計算機的迅猛發展,要求傳統商用計算體系架構更加低功耗、高效率、低成本。當前經典的馮諾依曼計算體系架構采用二進制數字信號且數據處理與存儲分離,約40%的能耗僅用于數據的往返搬運而非計算或存儲。為此業界近年來致力于研發基于新型非易失性存儲技術的類腦神經元計算器件,從而實現非馮諾依曼架構的全新計算體系,實現存算一體以及模擬信號處理。相變隨機存儲器(PCRAM)是目前最成熟的新型非易失性存儲器技術之一,近年來基于先進的相變存儲技術研發神經元計算器件已成為業界研發焦點。然而商用鍺銻碲(Ge2Sb2Te5)基相變存儲器件在反復可逆相變操作過程中,多態存儲電阻值波動大,高密度存儲陣列協同性差,嚴重制約了高精度、高效率神經元計算器件的開發。

         聚焦此關鍵科學問題,西安交通大學材料學院金屬材料強度國家重點實驗室微納中心(CAMP-Nano)張偉教授與深圳大學饒峰教授和美國約翰霍普金斯大學馬恩教授通力合作,提出了一種新式的相變異質結(PCH)設計,由多個交替堆疊的相變層與限制層構成,并通過原位加熱且低速生長的多層薄膜磁控濺射沉積技術實現了高質量相變異質結的制備。該相變異質結可有效抑制玻璃態相變材料結構弛豫以及反復相變過程中的組分偏析,將相變存儲器件數據態的阻值波動和漂移降低到前所未有的水平。相變異質結器件在迭代擦除操作時可實現9個穩定的多態存儲(各電阻態阻值漂移系數小于~0.005,遠低于鍺銻碲器件的~0.11),并在累積寫入操作時器件電導呈現高一致性(波動小于9%,而鍺銻碲器件波動則超過40%)。這些優越的性能適用于精準矢量矩陣乘法計算、快速時序相關探測和其他要求高精度和高一致性的機器學習任務。值得指出的是,相變異質結所采用的多層膜制備技術不顯著增加芯片制造成本,也無需開發額外復雜的工藝,可完美匹配現有相變存儲器量產工藝,將有助于大力推進高性能神經元計算芯片的開發。

    (上)相變異質結的準二維相變機制與原位輻照透射電鏡證據;(下)相變異質結器件的迭代擦除與累積寫入操作。


        該工作的共同第一作者為丁科元博士(深圳大學),王疆靖博士(西安交大)、碩士生周宇星(西安交大)、田鶴教授(浙江大學),合作者包括路璐博士(西安交大)、賈春林教授(西安交大、德國于利希研究中心)以及Riccardo Mazzarello教授(德國亞琛工大),第一作者單位為深圳大學,第一通訊作者單位為西安交通大學,其他合作單位還包括榆林學院和中科院上海微系統與信息技術研究所。該研究得到了國家自然科學基金委、111計劃2.0、西安交大青年拔尖人才計劃等項目的資助。計算資源由西安交大網信中心高性能計算平臺與國家超級計算廣州中心提供。

    論文鏈接:http://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291


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