本报讯 8月19日，《科学》在线发表了光电信息学院、武汉光电国家研究中心缪向水、叶镭团队题为“2D materials-basedhomogeneous transistor-memoryarchitecture for neuromorphic hardware”的研究论文。
实现类脑智能是人类长期以来一直追求的梦想，类脑神经形态硬件是类脑智能的基石和引领者。缪向水、叶镭团队和中科院上海技术物理研究所、武汉大学、浙江大学、香港中文大学合作，突破了信息传感、存储和计算之间信息交换时存在的性能瓶颈，创新性地提出了一种同质晶体管-存储器架构和新型类脑神经形态硬件，成为未来颠覆性传感-存储-计算一体化的类脑智能和革命性非冯·诺依曼计算体系的一缕曙光。
为了实现存算一体的类脑神经形态硬件，存储器阵列通常需要与外围电路连接，因为在实现存内计算的前后，都需要进行信号处理工作。但是存储器的器件结构和外围电路的器件结构存在差异，导致存储器和外围电路的物理分离，器件集成及其相互耦合限制了类脑芯片的设计。且随着器件尺寸的不断缩小，相互之间的阻抗匹配阻碍了高性能和高能效类脑计算的实现。
以相同的器件结构构建存储器和外围电路有望突破以上瓶颈。论文提出了二维材料与铁电近邻耦合实现感-存-算一体的新方法。一方面，固定的铁电极化等效为非易失栅极电场对二维材料沟道进行电学掺杂，从而构建PN结、结型晶体管（BJT）等器件，用于构建外围电路；另一方面，铁电畴的极化翻转调制能够改变BJT 的结区内建势垒，用于构建非易失存储器，并提升高低阻值比，以实现存内计算。
由于外围电路所使用的运算放大器和存储器单元采用相同的器件结构，可以直接构建基于同质晶体管-存储器架构的神经形态硬件。论文基于同质晶体管-存储器架构还提出了一种三维集成结构，对推动基于二维材料的新型神经形态硬件的产业化和应用具有极其重要的学术意义和应用前景。
华中科技大学为论文第一完成单位。光电信息学院博士生童磊为第一作者，叶镭和中科院上海技物所胡伟达研究员为共同通讯作者。光电信息学院缪向水教授、张新亮教授、熊伟教授、薛堪豪教授等参与了研究工作。研究工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发项目等资助。
（光电信息学院）