美国，发力存算一体半导体

来源：宾夕法尼亚州立大学，谢谢。

由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个多机构项目致力于开发一种既可以存储数据又可以执行计算的一体化半导体器件。该项目最近在三年内获得了 200 万美元的资助，作为新的国家科学基金会半导体未来 (FuSe) 计划的一部分，该计划投资 4560 万美元，旨在通过全美 24 个研究和教育项目推进半导体技术和制造。

“该计划的目标是支持半导体创新，我们需要解决当前技术迅速接近的局限性，”宾夕法尼亚州立大学工程学院工程科学与力学副教授、首席研究员 Saptarshi Das 说。

微芯片技术对于从智能手机到电动汽车等各种先进器件的计算和数据存储至关重要，从历史上看，微芯片技术的发展使得晶体管容量大约每两年翻一番。这种现象被称为摩尔定律。然而，摩尔定律在大约十年前就陷入了停滞，受到Das所说的流行材料和技术的固有局限性的限制。

根据Das的说法，摩尔定律的停滞只会使晶体管变得更小。

“半导体架构中的另一个主要问题是你必须从内存中获取数据，进行计算并将数据放回，”Das说。“这种穿梭会消耗大量电力。我们可以在同一台器件上做到这一点吗？”

Das与联合首席研究员、宾夕法尼亚大学材料工程教授 Ritesh Agarwal 和电气系统工程副教授 Deep Jariwala 合作。阿加瓦尔和贾里瓦拉开发了包含不同相硒化铟的新型半导体材料，Das表示，他们认为这种材料可能能够弥合单个器件中存储和计算之间的差距。

为了帮助解决基于这些新型材料的晶体管如何适应现有技术的限制，他们聘请了耶鲁大学电气工程助理教授 Priyadarshini Panda，他专门研究人工智能及其在整个系统中的应用——换句话说，如果团队开发出一种单一的多功能半导体器件，它将如何与其他此类器件一起在系统级运行？

“这不仅仅是材料或器件，每个部分都必须组合在一起才能使项目取得成功，”Das说，他是神经形态计算或模拟人脑的工程计算元素方面的专家。“我们可以制造一款冠军器件，但如果它不适合系统，它就无法工作。这就是为什么我们需要这个具有互补专业知识的完整团队。”

宾夕法尼亚大学团队开发的半导体材料是铁电材料，这意味着它含有电荷，如果施加电压，电荷就会翻转。Das说，同时具有铁电性和半导体性的材料是不寻常的。

Das说：“铁电材料是偶极子，向上或向下，可以通过施加电压来改变——它是一种具有两级的天然存储器件。”他解释说，它类似于二进制代码，即充当存储单元的 1 和 0。现代计算的底层架构。“当你停止材料的电导来控制信息或能量流时，铁电材料通常无法像半导体一样被门控或部分关闭。但这种铁电材料是半导体，因此可以对其进行门控。”

研究人员表示，他们计划利用这种材料开发一种新型二合一存储和计算器件，可以在后端与标准硅芯片集成。Das表示，这将有助于更快地实施，因为新器件可以与现有系统配合使用。这也将为开发和制造更多神经形态计算器件奠定基础，这些器件模仿人脑的节能和独特的存储能力。

Das说：“这种材料将使我们能够兼具存储和计算的优势。” “这开启了可能性，这就是我们对这个项目如此兴奋的原因。”

这笔资金还将支持四名学生（每个合作者一名）参与该项目。

NSF 主任 Sethuraman Panchanathan 在一份声明中表示：“我们的投资将有助于培训下一代人才，以填补半导体行业的关键空缺，并自下而上地发展我们的经济。” “通过支持新颖的跨学科研究，我们将实现半导体和微电子领域的突破，并满足国家对可靠、安全的创新半导体技术、系统和专业人员供应的需求。”

Das 还隶属于材料研究所和神经工程中心，并在材料科学与工程、电气工程和计算机科学领域担任礼节性任命。

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