1.我国科学家实现新一代光计算芯片研究新突破
2.北京大学电子学院团队发明范霍夫冷源晶体管
3.中国科学院高功率MEMS开关芯片超长寿命材料研究获进展
1.我国科学家实现新一代光计算芯片研究新突破
上海交通大学科研人员近日在新一代光计算芯片领域取得突破，首次实现了支持大规模语义媒体生成模型的全光计算芯片。相关成果12月19日发表于《科学》杂志。
据了解，随着深度神经网络和大规模生成模型迅猛演进带来超高算力和能耗需求，传统芯片架构的性能增长速度已出现严重缺口，光计算等新型架构受到广泛关注。
“所谓光计算，可以理解为，不是让电子在晶体管中运行，而是让光在芯片中传播，用光场的变化完成计算。光天然具备高速和并行的优势，因此被视为突破算力与能耗瓶颈的重要方向。”论文作者、上海交大集成电路学院助理教授陈一彤表示，把光计算真正用到生成式AI上并不简单，已有的全光计算芯片主要局限于小规模、分类任务，光电级联或复用又会严重削弱光计算速度。如何让下一代算力光芯片运行复杂生成模型，是全球智能计算领域公认的难题。
陈一彤课题组此次提出并实现了全光大规模语义生成芯片LightGen，采用极严格算力评价标准的实测表明：即便采用性能较滞后的输入设备，LightGen仍可取得相比顶尖数字芯片2个数量级的算力和能效提升。团队表示，LightGen之所以实现性能飞跃，在于其在单枚芯片上同时突破了“单片上百万级光学神经元集成”“全光维度转换”“不依赖真值的光学生成模型训练算法”三项关键瓶颈，使得面向大规模生成任务的全光端到端实现成为可能。
据介绍，LightGen可完整实现“输入—理解—语义操控—生成”的闭环，完成高分辨率（≥512×512）图像语义生成、3D生成（NeRF）、高清视频生成及语义调控，同时支持去噪、局部与全局特征迁移等多项大规模生成式任务。
“LightGen为新一代光计算芯片助力前沿人工智能开辟了新路径，也为探索更高速、更高能效的生成式智能计算提供了新的研究方向。”陈一彤说。（来源： 新华网）
2.北京大学电子学院团队发明范霍夫冷源晶体管
随着集成电路不断向先进节点演进，降低功耗已成为后摩尔时代信息处理系统面临的核心挑战之一。传统硅基金属‑氧化物‑半导体晶体管（MOSFET）的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）受玻尔兹曼分布限制，在室温下难以突破60mV/dec。这一物理极限使得工作电压Vdd无法进一步降低，功耗随器件尺寸微缩而趋于瓶颈。
近日，北京大学电子学院碳基电子学研究中心和纳米器件物理与化学教育部重点实验室的司佳助理研究员-张志勇教授团队提出并实验验证了一种范霍夫（van Hove）冷源晶体管（VHS FET）。该器件利用准一维半导体在范霍夫奇点附近态密度陡降的特性，可以通过电化学掺杂或电场调控将源区费米能级精确调至某个范霍夫奇点附近，构建“冷源”（图1）。这种源和沟道采用同一种准一维半导体材料而形成同质结的方案，能够直接注入冷载流子，减少界面散射，同时简化了器件结构并利于尺寸微缩。
图1：VHS FET的概念及载流子分布
研究团队选择半导体型碳纳米管来构建范霍夫源和沟道（图2）。在这种器件中，主栅负责开关控制，辅助控制栅则精确调节源区费米能级。当费米能级靠近碳纳米管的范霍夫奇点时，源态密度随能量急剧下降，高能载流子被有效过滤，形成陡峭的热发射开关（图3）。实验结果表明，基于单根碳纳米管构建的VHS FET在室温下实现了49mV/dec的亚阈值摆幅，显著突破玻尔兹曼极限。在450nm栅长和0.5V的工作电压下，该器件的归一化开态电流与22nm节点硅基晶体管相当，而工作电压比硅基器件低0.25V（图4）。这一结果表明，范霍夫源不仅能够实现亚60mV/dec的陡峭开关特性，还可兼顾高电流驱动能力，为发展新一代超低功耗陡坡晶体管提供设计思路。
图2：CNT VHS FET场效应晶体管的工作模式
图3：冷源工作区间内VHS FET的性能优化
图4：CNT VHS FET的性能对标与尺度微缩潜力
相关成果以题为《用于超低功耗场效应晶体管的范霍夫源》（“van Hove Source for Ultralow Power Field‑Effect Transistors”）的论文于12月17日在线发表在ACS Nano。论文第一作者为北京大学电子学院2021级博士研究生何百哲，司佳和张志勇为共同通讯作者。合作者还包括北京大学集成电路学院研究员刘飞、清华大学教授姜开利、浙江大学教授金传洪、北京量子信息科学研究院研究员裴天和北京大学量子材料科学中心研究员卢晓波。该研究获得了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助支持。（来源： 北京大学）
3.中国科学院高功率MEMS开关芯片超长寿命材料研究获进展
在手机乃至航天器中，藏着重要的微观“开关世界”——微机电系统的开关芯片。其核心是比头发丝细的“微悬臂梁”，可以把它想象成一个每秒不停弹跳数千次的微型弹簧。如何让这个微型弹簧承受住上百亿次的弯曲而不失效，是需要解决的核心问题。近日，中国科学院金属研究所研究团队，研制出了纳米晶层状复合材料，为微悬臂梁穿上了神奇的 “自修复铠甲”。
芯片内微型弹簧每一次的弹跳，对应着电路的“开”或“关”，其性能决定着设备的可靠性与寿命。这好比要求一个弹簧每秒被按压一次，要连续工作十年甚至三十年而毫发无伤——这对材料的性能提出了极高的要求。金的导电性好、易于加工。因此，业界首选的材料是金及其合金。但是，金的缺点很致命——太“软”了。用金及其合金做的“微弹簧”，在经历极端频繁的弹跳后，很容易疲劳、变形，无法满足未来高端设备对功率和寿命的严苛要求。为此，研究团队开发了由纳米尺度的镍层和镍钨合金层交替叠加而成的新材料。它并非单一金属，而像一块极其微型、精巧的“千层饼”。
将金属做到纳米晶级别，意味着需要极高的强度。但这项研究的关键在于“千层饼”结构，在承受亿万次疲劳载荷时，内部会发生动态的、智能的“自我”调节与修复。团队利用自主研发的测试系统，验证了材料内部的奇妙变化：在循环受力过程中，材料界面处的原子开始“搬家”。镍原子会从平滑异质界面向粗糙异质界面扩散。这一方式具有两个优势：粗糙界面附近形成了 “贫钨区”（钨含量变少），这片区域变得更软，像一层缓冲垫，增强了不同材料层之间的变形协调性，避免了应力集中；在平滑界面附近留下了“富钨区”（钨含量变多），为第二种机制创造了条件。“富钨区”降低了材料的“层错能”，可激发材料内部动态、持续地生成大量纳米孪晶和层错。将这些“纳米孪晶”想象成材料内部长出来的、极其细微的强化筋，可有效阻挡和分散疲劳损伤，防止塑性应变累积。两种机制协同工作，如同给材料同时配备了“动态缓冲层”和“持续生长的强化筋”，延缓了疲劳裂纹的产生和扩展，实现了超长寿命。这种新型纳米层状复合材料在数十亿次超高周疲劳测试中，其寿命优于当前主流微机电系统开关材料，与规定的门槛值相比，超长周次疲劳耐久性提升约60%，突破了技术瓶颈。
研究团队与相关企业合作，将这种高性能材料制备工艺与现有微机电系统芯片制造流程相兼容，实现了新型微机电系统开关芯片制造技术的突破，有望为未来制造高线性度、低损耗的高功率射频/微波固态开关及射频继电器芯片，提供新的材料设计思路。微观世界里“小弹簧”的寿命突破，或正悄然改变着未来世界。
相关研究成果发表在《材料学报》（Acta Materialia）上。研究工作得到中国科学院先导专项和云南省科技计划项目的支持。
面向微机电系统开关超长服役寿命的材料优化设计及化学成分梯度扩散调控机制
（来源： 中国科学院）
