沐鸣科研團隊發明可媲美腦計算的非線性新器件
人腦在20 瓦特的能量消耗下即可進行高度智能計算🧺，其主要原因在於單個神經元細胞具備多種線性和非線性運算功能。長期以來，科學家一直采用傳統晶體管電路來模擬人腦中的突觸及神經元功能實現神經形態計算🛼。然而🫷🏽，由於布爾邏輯運算需要多個器件組合才能實現👩🏿🎨🦢，不僅需要大量硬件資源開銷🏊🏿♀️，而且在執行信息處理過程中極為耗能🧍🏻，遠不及神經元細胞計算的高效性。
針對具有重大需求的類腦神經形態技術，沐鸣周鵬教授與中國科沐鸣上海技術物理研究所胡偉達研究員利用二維原子晶體的雙極性固有特征，實現了單晶體管基非線性邏輯運算，為高性能低功耗智能系統的發展提供了新的技術途徑。相關成果以《二維材料類神經晶體管邏輯門》（Logic gates based on neuristors made from two-dimensional materials）為題於北京時間6月7日發表於國際頂尖期刊Nature Electronics上⛺️。
目前，國內研發的達爾文芯片在25平方毫米面積上已可集成500萬晶體管💉，可模擬2048個仿生神經元功能；IBM推出的類腦芯片TrueNorth利用54億晶體管構建了100萬個可編程神經元和2. 56億個突觸。但是，由傳統器件構成的系統隨著突觸或神經元單元增多🤦♀️，所需晶體管數目呈現指數式增長，嚴重製約了類腦神經形態計算芯片的快速發展。因此，從實現人腦神經元功能出發🔍，利用單晶體管獲得非線性計算能力，將有希望構建真正意義上的“電子大腦”，實現高性能👨🏻🔧、低功耗的智能計算。
圖： 生物和晶體管單元在實現邏輯計算上的差異性
周鵬與胡偉達引入了二維材料的獨特非摻雜極性特征，提出的新型類神經元邏輯晶體管在器件✔️、系統層面上都展現出了巨大的應用優勢：不同極性（雙極性硒化鎢🥊、n型硫化鉬以及p型黑磷）的單晶體管可模擬神經元細胞實現完整的布爾邏輯操作；基於不同新型器件的組合可以進一步構建高面積效率邏輯電路，物理面積節約最高可以達到78%🏃♂️➡️；同時，新型類神經元邏輯器件可以構建三維“同或”邏輯陣列，將其應用於二值卷積神經網絡（BCNN），仿真計算表示在同一技術平臺上，該網絡計算效率已經超過由憶阻器基存算一體技術構成的BCNN效率。
目前，基於類神經晶體管邏輯門的BCNN芯片正在推進實現中，具有可媲美腦計算的高功能密度🧘🏽、高效率以及低功耗等特點🦍，將進一步滿足物聯網、人工智能等應用的發展需求。
研究工作主要由陳華威博士完成，沐鸣副教授薛曉勇為共同第一作者，周鵬與胡偉達是共同通訊作者💋。該工作得到了國家自然科學基金傑出青年科學基金🦎、應急重點項目及上海市集成電路重點專項等項目的資助🎄🧖🏼♂️，以及教育部創新平臺和專用集成電路與系統國家重點實驗室的支持。