南大繆峰團隊Nat. Electronics:打造二維可重構器件，“瘦身”數字和類腦電路

導讀：

隨著人工智能、物聯網、邊緣計算等新興電子應用產業的蓬勃發展，對信息高效處理的需求愈發迫切，能顯著提高硬件資源利用率的可重構技術提供了可能的解決方案。目前主流的可重構電路（例如現場可編程門陣列FPGA）是基于傳統的硅基電路，其中的P型或N型場效應器件具有單一的電學特性，一旦制備成功，其場效應特性再無法通過電學操作實現動態轉換，只有通過耗費大量的晶體管資源構建復雜的電路結構，才能在電路層面實現可重構的計算能力。因此，工業界和學術界亟需尋找全新的電子技術來構建能夠滿足未來發展需求的可重構電路。近日，南京大學物理學院繆峰團隊獨辟蹊徑，通過打造二維可重構器件，成功“瘦身”數字和類腦電路，在可重構電子技術領域取得重要進展。

二維層狀材料是后摩爾時代被寄予厚望的基礎電子材料之一。繆峰團隊（https://nano.nju.edu.cn）一直專注于探索二維材料獨特物理性質的產生與調控機制，以及新原理信息器件的設計與實現，近年陸續在耐高溫憶阻器（2018 Nature Electronics）、彈道雪崩探測器（2019 Nature Nano.）、類腦視覺傳感器（2020 Science Advances）等方向取得突破。在此基礎之上，該研究團隊近日提出，利用二維層狀半導體材料二硒化鎢(WSe₂)的雙極性場效應特性和可變的漏端電壓極性，可以設計出電場可調的二維同質結器件，從而在器件層面實現“可重構”的多種電流開關特性。進一步通過對器件進行集成，團隊分別實現了功能可重構的邏輯和類腦電路，與實現同樣功能的傳統電路相比，該技術所需晶體管數量大大減少，成功實現“瘦身”。相關研究成果以《Reconfigurable logic and neuromorphic circuits based on electrically tunable?two-dimensional homojunctions》（基于電場可調二維同質結的可重構邏輯和神經形態電路）為題于2020年6月29日發表在《自然》雜志子刊《Nature Electronics》（自然?電子學）上（文章鏈接：https://rdcu.be/b5iRF?或 https://www.nature.com/articles/s41928-020-0433-9）。南京大學物理學院博士生潘晨為論文的第一作者，繆峰教授和梁世軍副研究員為該工作的共同通訊作者。該工作得到了國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、江蘇省青年基金等項目的資助，以及微結構科學與技術協同創新中心的支持。

研究成果:

團隊設計的是一種具有分立柵結構的可調同質結器件（Electrically Tuneable Homojunctions,?ETH），2個獨立的柵極電壓和1個源漏電壓共同決定了器件的電流開關特性（圖一）。每個電壓參量具有正和負兩種極性狀態，根據數學上的組合原則，ETH器件總共會表現出2³種電流開關狀態，實現包括P型場效應晶體管、N型場效應晶體管、正偏二極管、反偏二極管等多種開關功能。這類ETH器件具有的“可重構”電學特性，可用來設計全新的可重構功能電路。

圖1 可調同質結器件。a，器件結構示意圖；b，在柵極電壓（V_gA和V_gB）和源漏電壓(V_ds)調控下的器件開關電流狀態表。

團隊首先將2個ETH器件進行串聯，構建了一個基本邏輯單元，通過選擇不同的信號輸入方式，該邏輯單元可以執行基本的邏輯功能，包括“邏輯非”(NOT gate)、“與門”(AND gate)、“或門”(OR gate)、“電壓跟隨”(Follower)、“實質蘊涵”(Material implication)、“借位輸出”(Borrow output) 等。該邏輯單元可以作為基本級聯模塊來進一步設計可重構電路。在實驗中，研究人員通過對3個邏輯單元進行級聯（共6個ETH器件），設計和實現了一種可重構邏輯電路。通過重構信號輸入方式，該電路能執行包括加法器 (Adder)、減法器 (Subtractor)、2：1多路選擇器?(MUX)、D-鎖存器?(D-latch) 等微處理器常用的邏輯功能。而采用傳統硅基互補邏輯技術，需要耗費28個晶體管才能構建出可執行加法器邏輯功能的電路。基于ETH器件設計的可重構邏輯電路，不僅能夠大幅節省晶體管資源，輸出信號質量與工作頻率也都可以與傳統硅基技術相比擬。

圖2 由可調同質結器件構建的可重構邏輯電路。a，上圖為邏輯單元電路結構圖，下表為信號的不同輸入方式對應的不同邏輯功能表；b，級聯三個邏輯單元形成的可重構邏輯電路圖；c，用于實現四種不同邏輯功能的信號輸入方式；d， 2：1多路選擇器的輸出電壓信號；e，加法器和減法器的輸出電壓信號；f， D-鎖存器輸出電壓信號。

除了構建可重構的邏輯電路之外，研究人員還將ETH器件應用到神經形態電路方面。傳統硅基場效應晶體管的器件電流開關特性由單一端口（柵極電壓信號）控制，難以模擬生物神經系統的多端調控特性，因此需要耗費大量的資源（超過10個晶體管）才能實現模擬生物突觸功能的電路，這也在很大程度上限制了傳統類腦芯片的集成密度。在實驗中，研究人員僅僅利用了3個EHT器件和一個電容元件設計了可重構的突觸電路，實現了對生物突觸的時間脈沖依賴可塑性 (Spike-Timing-Dependent Plasticity) 功能的模擬，以及對赫布 (Hebbian) 學習規則和反赫布 (Anti-Hebbian) 學習規則的模擬。

圖3 由可調同質結器件構建的可重構突觸功能電路。a，上圖為突觸結構示意圖，下圖為基于可調同質結器件模擬突觸功能的電路結構圖；b，利用6個組合的方波脈沖模擬生物神經系統中的脈沖信號（黑色曲線），其中紅色信號代表突觸前脈沖，藍色信號代表突觸后脈沖；c，實驗測得的模擬反赫布學習規則的脈沖時間依賴可塑性；d，實驗測得的模擬赫布學習規則的脈沖時間依賴可塑性。

通過設計電場可調的二維同質結器件，在確保器件與電路都具有可重構功能的同時，可以大幅降低電路晶體管資源的消耗。這樣一方面有利于芯片的小型化和提升功能密度，另一方面也能夠降低芯片的整體能耗，有望為物聯網、邊緣計算、人工智能等應用的快速發展提供助力。這篇工作也為未來可重構數字和類腦混合電路芯片的設計提供了一種全新的思路。

本文由南京大學繆峰團隊供稿。