| |
 |
（a）同质结器件结构示意图；（b）栅极电压（VgA和VgB）和源漏电压（Vds）调控下的器件开关电流状态表；（c）逻辑单元电路结构图和对应的逻辑功能表；（d）级联三个逻辑单元所形成的可重构逻辑电路图；（e）生物突触结构示意图和利用可调同质结器件模拟生物突触功能的电路结构图
图 基于二维可调同质结器件的可重构数字和类脑电路
在国家自然科学基金项目（批准号：61625402、61921005、61974176）等资助下，南京大学缪峰团队在二维材料可重构数字和类脑电路研究方面取得进展。研究成果以“基于电场可调二维同质结的可重构逻辑和神经形态电路（Reconfigurable logic and neuromorphic circuits based on electrically tunable two-dimensional homojunctions）”为题，于2020年6月29日发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-0433-9。
随着人工智能、物联网、边缘计算等新兴产业的蓬勃发展，对信息高效处理的需求也愈发迫切。可重构技术能显著提高硬件资源利用率，为信息高效处理提供了一种潜在的解决方案。然而，在基于传统硅基CMOS工艺制造的现场可编程门阵列（FPGA）等主流可重构电路中，P型或N型场效应晶体管具有确定的电学特性，一旦流片制造了，其场效应特性将无法通过电学操作等外部手段来改变。因此，只能通过耗费大量晶体管资源的方式来实现具有可重构计算能力的复杂电路。寻找器件、电路等方面的全新技术来构建能够满足未来发展需求的可重构电路是当前产业界和学术界研究人员共同面临的艰巨挑战。
围绕上述挑战，科研团队长期开展了相关研究工作。近期，他们独辟蹊径，利用二维层状半导体材料二硒化钨（WSe2）的双极性场效应特性和可变的漏端电压极性，构建了一种二维可重构器件，采用该可重构器件设计的电路不仅具有可重构的逻辑和类脑计算功能，而且所消耗的晶体管资源非常少，实现了对传统数字和类脑电路“瘦身”。他们设计的具有分立栅结构的可调同质结器件（Electrically Tunable Homojunctions, ETH），其电流开关特性由独立的2个栅极电压和1个源漏电压共同决定（图a）。由于每个电压参量具有正、负两种极性，因此ETH器件会表现出8种电流开关状态（图b）。他们进一步利用ETH“可重构的”电学特性设计出全新的可重构逻辑功能电路。通过将2个ETH器件进行串联，并选择不同的信号输入方式，该单元电路可以执行多种逻辑功能，包括逻辑“非门”（NOT gate）、“与门”（AND gate）、“或门”（OR gate）、“电压跟随”（Follower）、“实质蕴涵”（Material implication）和“借位输出”（Borrow output）等（图c）。以该逻辑单元作为基本模块，级联后可用于执行更复杂逻辑功能的可重构电路设计。他们将3个逻辑单元进行级联（共6个ETH器件），设计和实现了一种可重构逻辑电路。通过重构信号输入的方式，该电路能执行加法器（Adder）、减法器（Subtractor）、2：1多路选择器（MUX）和D-锁存器（D-latch）四种微处理器基本逻辑功能（图d）。与实现相同功能的传统硅基CMOS逻辑电路相比，基于ETH器件技术设计的可重构逻辑电路大幅节省了晶体管资源。此外，不同于传统复杂的硅基突触电路，他们利用3个EHT器件和一个电容元件设计出了一种可重构的类脑电路，实现了对生物突触的时间脉冲依赖可塑性（Spike-Timing-Dependent Plasticity）功能的模拟，以及对赫布（Hebbian）学习规则和反赫布（Anti-Hebbian）学习规则的模拟（图e）。
该研究所制备的新原理器件和新结构电路，为未来可重构数字和类脑混合电路芯片设计提供了新思路。