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隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)興起，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)計算系統(tǒng)的算力難以滿足海量數(shù)據(jù)的計算需求。與此同時，摩爾定律逐漸放緩，單純依靠提高集成度、縮小晶體管尺寸來提升芯片及系統(tǒng)性能的路徑正面臨技術(shù)極限，通過引入憶阻器新器件、模擬計算新范式、存算一體新架構(gòu)，將拓展出全新的高性能人工智能芯片與系統(tǒng)，實現(xiàn)計算能力的飛躍。 目前被廣泛使用的經(jīng)典馮·諾依曼計算架構(gòu)下數(shù)據(jù)存儲與處理是分離的，存儲器與處理器之間通過數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸，在面向大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用場景中，這種計算架構(gòu)已成為高性能低功耗計算系統(tǒng)的主要瓶頸之一：數(shù)據(jù)總線的有限帶寬嚴重制約了處理器的性能與效率，且存儲器與處理器之間存在嚴重性能不匹配問題。憶阻器存算一體系統(tǒng)把傳統(tǒng)以計算為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構(gòu)，其直接利用阻變器件進行數(shù)據(jù)存儲與處理，通過將器件組織成為交叉陣列形式，實現(xiàn)存算一體的矩陣向量乘計算。憶阻器存算一體系統(tǒng)可以避免數(shù)據(jù)在存儲和計算中反復(fù)搬移帶來的時間和能量開銷，消除了傳統(tǒng)計算系統(tǒng)中的“存儲墻”與“功耗墻”問題，可以高效、并行的完成基礎(chǔ)的矩陣向量乘計算，未來極有潛力成為支撐人工智能等新興應(yīng)用的核心技術(shù)。 清華大學吳華強教授團隊實現(xiàn)了材料與器件、電路設(shè)計、架構(gòu)和算法的軟硬件協(xié)同等多方面原始創(chuàng)新，解決了系統(tǒng)精度損失等被廣泛關(guān)注的難題： 材料與器件創(chuàng)新。科研團隊選擇了電學特性穩(wěn)定的二氧化鉿作為憶阻層核心材料，提出了通過插入少量氧化鋁層來固定離子分布、抑制晶粒間界形成的新理論，提出了引入熱增強層的新原理器件結(jié)構(gòu)，成功抑制了憶阻器非理想特性的產(chǎn)生。 電路設(shè)計創(chuàng)新。開發(fā)了一套憶阻器與晶體管的混合電路設(shè)計方法，提出“差分電阻”設(shè)計思想，采取源線電流鏡限流設(shè)計，抑制了憶阻器電路中可能產(chǎn)生的各種計算誤差。 算法創(chuàng)新。提出了混合訓練算法，僅用小數(shù)據(jù)量訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并只更新最后一層網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，即可將存算一體硬件系統(tǒng)的計算精度達到與軟件理論值相同的水平。 “技術(shù)鏈”創(chuàng)新。從“單點技術(shù)突破”拓展到“技術(shù)鏈突破”，開發(fā)了針對憶阻器存算一體芯片的電子設(shè)計自動化（EDA）工具，打通了從電路模塊設(shè)計到系統(tǒng)綜合再到芯片驗證的設(shè)計全流程。 上述理論和方法發(fā)表于《自然》《自然·納米技術(shù)》《自然·通訊》等國際頂級期刊，以及被譽為“集成電路奧林匹克”的“國際固態(tài)電路大會”等頂級學術(shù)會議。研究成果被“國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖”和30多部綜述文章長篇幅引用。團隊已在該研究方向申請國內(nèi)外專利72項，其中30項已獲得授權(quán)，知識產(chǎn)權(quán)完全自主可控。 團隊已研制出全球首款憶阻器存算一體芯片和系統(tǒng)，集成了8個憶阻器陣列和完整的外圍控制電路，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升了計算設(shè)備的算力。全系統(tǒng)的計算能效比當前主流的人工智能計算平臺——圖形處理器（GPU）高兩個數(shù)量級。團隊還設(shè)計了一款基于130nm工藝研制的完整憶阻器存算一體芯片，在MNIST數(shù)據(jù)集上計算速度已超過市面上28nm工藝的四核CPU產(chǎn)品近20倍，能效有近千倍的優(yōu)勢。

項目成果/簡介:隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)興起，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)計算系統(tǒng)的算力難以滿足海量數(shù)據(jù)的計算需求。與此同時，摩爾定律逐漸放緩，單純依靠提高集成度、縮小晶體管尺寸來提升芯片及系統(tǒng)性能的路徑正面臨技術(shù)極限，通過引入憶阻器新器件、模擬計算新范式、存算一體新架構(gòu)，將拓展出全新的高性能人工智能芯片與系統(tǒng)，實現(xiàn)計算能力的飛躍。

        技術(shù)成熟度：技術(shù)突破         研發(fā)團隊以設(shè)計制備寬光譜超材料吸收器和像元級集成紅外探測器為研究主線，在超薄寬帶高吸收原理與策略、材料/器件設(shè)計與制備方面取得了突破性進展。圍繞器件吸收率低、噪聲等效溫差（NETD）大、集成兼容性差的難題，提出了無損與損耗型介質(zhì)結(jié)合、多模諧振耦合光吸收的思路，獲得超薄寬帶高吸收率材料；提出將超薄寬帶高吸收率材料與非制冷紅外探測器像元級集成新思路，獲得了寬譜、NETD小、多色探測的非制冷紅外探測器，NETD降低3倍，研究成果已在中國兵器北方夜視廣微科技應(yīng)用轉(zhuǎn)化。         意向開展成果轉(zhuǎn)化的前提條件：中試放大及產(chǎn)業(yè)化工藝開發(fā)資金支持

成果與項目的背景及主要用途： 人類通過視覺系統(tǒng)獲取的信息占獲取信息總量的 80%以上，如果說計算機相 當于人類的大腦，那么圖像傳感器則相當于人類的眼睛。圖像傳感器作為圖像信 息獲取最重要和最基本的技術(shù)在信息世界中將占據(jù)著極其重要的地位。半導(dǎo)體圖 像傳感器相比傳統(tǒng)的膠片成像具有可實時處理和顯示、數(shù)字輸出、便于儲存和管 理等諸多優(yōu)勢，正在迅速成為圖像傳感器發(fā)展的主導(dǎo)力量。CMOS 圖像傳感器相 對于 CCD 圖像傳感器具有單片集成、低功耗、低成本、體積小、圖像信息可隨 機讀取等一系列優(yōu)點。在手機拍照、PC 攝像、機器視覺、視頻監(jiān)控等諸多領(lǐng)域 已經(jīng)取代了 CCD 圖像傳感器。 技術(shù)原理與工藝流程簡介： （1）時間延遲積分型 CMOS 圖像傳感器芯片 通過 0.18μm 1P4M CMOS 工藝完成了對最高 128 級線陣長度為 1024 像素的 TDI 型 CMOS 圖像傳感器芯片的設(shè)計、投片和測試工作。 （2）具有緊湊讀出的多次積分動態(tài)范圍擴展 CMOS 圖像傳感器 提出了一種通過多次積分擴展動態(tài)范圍的方法，采用緊湊讀出方式，以降低 對對讀出電路的工作速度要求。成功流片 128×128 陣列原型，動態(tài)范圍可以擴展 39dB,像素讀出時間相對于滾筒是曝光增加了 3 倍。 應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測： ?該領(lǐng)域開始向著高清專業(yè)攝像、高精度工業(yè)和醫(yī)療成像、抗輻射太空成像等 專業(yè)高端領(lǐng)域邁進。CCD 傳感器的衰退之勢難以挽回，CMOS 將在未來幾年保 持優(yōu)勢地位。2015 年，CMOS 出貨量將達到 36 億個，份額達 97%；而 CCD 出 貨量將下降到只有 9520 萬個，占 3%份額。 應(yīng)用領(lǐng)域： CMOS 圖像傳感器廣泛應(yīng)用于消費類、工業(yè)和科技等各個領(lǐng)域。民用領(lǐng)域： 拍照手機、數(shù)碼相機、可視門鏡、攝像機、汽車防盜等；工業(yè)領(lǐng)域：生產(chǎn)監(jiān)控、 安全監(jiān)控等。 技術(shù)轉(zhuǎn)化條件： 四十平方米以上的辦公用房，電腦、工作站若干，相應(yīng)軟件。也可以和 RFID 天線制造單位，卡片封裝單位共同合作。 合作方式及條件：根據(jù)具體情況面議

目前，國產(chǎn)集成電路“缺芯少減”的現(xiàn)象非常嚴重，特別是在編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷.國內(nèi)與固外差距巨大，可編程器件目前廣泛應(yīng)用于通信航天航空導(dǎo)航遙感遙測。大的應(yīng)用需R和發(fā)展前展。本項目針對嵌入了處理器的SoPC芯片(SystemonPogrammableChip)具有該現(xiàn)狀，與成都華微公司合作,研制了完全自主可控的SoPC芯片。

硅芯片是當代信息技術(shù)的核心，當前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用是“超越摩爾”技術(shù)路線中相當重要的一環(huán)，需要數(shù)量巨大的集成電路芯片來分析處理來自外部傳感器件的海量信號。目前，大多數(shù)傳感信號采集器件和信號處理單元均為分離設(shè)計，將在整體上產(chǎn)生更大功耗并占據(jù)更大的空間。由此，復(fù)旦大學材料科學系教授梅永豐課題組提出了將信號檢測和分析功能集成于同一個芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團隊將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結(jié)合和組裝，構(gòu)造了對不同環(huán)境變量進行檢測和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統(tǒng)。這一思路不僅具有優(yōu)異的可擴展性，還可與當前集成電路先進制造工藝相兼容。5月2日，相關(guān)研究結(jié)果以《面向智能數(shù)字灰塵的硅納米薄膜光電晶體管多功能集成傳感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）為題發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊從器件的傳感機理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實現(xiàn)了多種環(huán)境參數(shù)探測功能的集成。圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流。智能材料在環(huán)境刺激中可以發(fā)生折射率、顏色、晶體結(jié)構(gòu)等方面的光學性質(zhì)變化，但一般需要光譜設(shè)備或比色卡才能進行比對。而翻轉(zhuǎn)的硅薄膜光電晶體管由于沒有柵極金屬阻擋功能區(qū)域的光信號吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點，研究團隊將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區(qū)，智能材料內(nèi)部物理性質(zhì)變化引起了微小光學性能改變，從而表現(xiàn)在輸出的光電流上，因此可以在同一個芯片上實現(xiàn)對多種不同信號的同時檢測。圖1A展示了傳感器件典型的功能層結(jié)構(gòu)，頂層的智能薄膜材料對環(huán)境刺激發(fā)生響應(yīng)，進而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號。具有2微米厚的熱氧化二氧化硅層則作為光電晶體管的封裝，對下方器件進行保護。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級先進集成電路工藝方法制備而成，結(jié)合了傳統(tǒng)硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優(yōu)良柔性。圖1B是貼附于半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。圖1C是單個器件功能區(qū)域的特寫，在藍色虛框部分集成不同智能材料即可實現(xiàn)對不同環(huán)境信號的檢測。圖1D是具有完備傳感與數(shù)據(jù)處理功能的柔性系統(tǒng)合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲單元、信號放大器和電源。研究團隊利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)境中濕度的實時、快速檢測，演示的信號為依次減小的三個濕度脈沖。整個過程中直接對環(huán)境變化做出響應(yīng)的信號，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時間的變化如圖1E中所示。當環(huán)境發(fā)生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩(wěn)，再利用差分電路處理，即可給出所檢測的環(huán)境參數(shù)的值。研究團隊開發(fā)了將智能材料與光電傳感結(jié)合的新穎傳感機制，并將傳感模塊與后續(xù)信號處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環(huán)境參數(shù)檢測方面的能力，已經(jīng)初步具備了未來的“智能數(shù)字灰塵”的雛形。該策略也可以應(yīng)用于其他的數(shù)字傳感系統(tǒng)，在后摩爾時代中將具有巨大的應(yīng)用潛力。論文主要由李恭謹博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國延世大學Taeyoon Lee教授和中科院微系統(tǒng)所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委、復(fù)旦大學和專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室等大力支持。

（ (A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流 ）

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磁敏電阻芯片及相應(yīng)傳感器的開發(fā)與應(yīng)用是磁敏傳感技術(shù)近二十年來最蓬勃發(fā)展并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新興分支。1.我們研制的高分辨率（１０００～４０００脈沖/３６０o）磁編碼器（國家自然科學基金項目）其關(guān)鍵技術(shù)指標頻率響應(yīng)達３００ＫＨｚ，超過國外同類產(chǎn)品的３０％，是光學編碼器頻響的３倍。2。我們生產(chǎn)的具有判向功能、從０～數(shù)萬轉(zhuǎn)速的測速傳感器，具有信號無接觸測量，無觸點、無磨損、無噪聲、使用壽命長，分辨高，檢測距離遠、頻率響應(yīng)寬達到0－200KHZ、性能明顯優(yōu)于光電測速傳感器和電感測速傳感器。已成功替代紡織進口設(shè)備傳感器3。無觸點磁敏電位器（北京市自然科學基金項目）已獲得過國家專利，該產(chǎn)品內(nèi)部具有信號無接觸測量，使用壽命長，分辨率高，轉(zhuǎn)動力距小，高頻響應(yīng)特性好，抗干擾能力強，適用于油、水、粉塵等惡劣環(huán)境的特點。4。最新結(jié)構(gòu)的傾斜角傳感器（建設(shè)部項目），已申報國家發(fā)明專利，信號感應(yīng)檢測無磨損   無電噪聲 、高可靠性、高分辨率、 高穩(wěn)定性、特別適用于運動頻繁要求使用壽命長的場合，環(huán)境適應(yīng)性強，可用于潮濕、油污、粉塵、鹽污、露天等多種工業(yè)場合。