我國科學(xué)家芯片兩項(xiàng)新突破—清華“太極-Ⅱ”、中科院人造藍(lán)寶石

近日，我國清華系、中國科學(xué)院兩大團(tuán)隊(duì)在新型芯片上有重大突破，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在4月發(fā)布的太極I光芯片基礎(chǔ)上再突破，太極-Ⅱ光芯片面世；中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì)則開發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料，即使在厚度僅為1納米時(shí)，也能有效阻止電流泄漏。

清華大學(xué)8月8日發(fā)布消息，清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組和自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組首創(chuàng)了全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)，研制了“太極-II”光訓(xùn)練芯片，實(shí)現(xiàn)了光計(jì)算系統(tǒng)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效精準(zhǔn)訓(xùn)練。該研究成果以“光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全前向訓(xùn)練”為題于北京時(shí)間8月7日晚在線發(fā)表于《自然》期刊。

在模型訓(xùn)練中，現(xiàn)有的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練嚴(yán)重依賴GPU進(jìn)行離線建模并且要求物理系統(tǒng)精準(zhǔn)對(duì)齊，導(dǎo)致光學(xué)訓(xùn)練的規(guī)模受到了極大的限制，光高性能計(jì)算的優(yōu)勢無法發(fā)揮。面對(duì)該困境，方璐、戴瓊海課題組創(chuàng)新“光子傳播對(duì)稱性”方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的前向與反向傳播都等效為光的前向傳播。

據(jù)論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II架構(gòu)下，梯度下降中的反向傳播化為了光學(xué)系統(tǒng)的前向傳播，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練利用數(shù)據(jù)-誤差兩次前向傳播即可實(shí)現(xiàn)。兩次前向傳播具備天然的對(duì)齊特性，保障了物理梯度的精確計(jì)算。如此實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練精度高，便能夠支撐大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)

由于不需要進(jìn)行反向傳播，太極-II架構(gòu)不再依賴電計(jì)算進(jìn)行離線的建模與訓(xùn)練，大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)高效光訓(xùn)練終于得以實(shí)現(xiàn)。

該論文研究表明，太極-II能夠?qū)Χ喾N不同光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，并在各種任務(wù)下均表現(xiàn)出了卓越的性能。

大規(guī)模學(xué)習(xí)領(lǐng)域：突破了計(jì)算精度與效率的矛盾，將數(shù)百萬參數(shù)的光網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)，代表性智能分類任務(wù)的準(zhǔn)確率提升40%。

復(fù)雜場景智能成像：弱光環(huán)境下（每像素光強(qiáng)度僅為亞光子）實(shí)現(xiàn)了能量效率為5.40×10^6 TOPS/W的全光處理，系統(tǒng)級(jí)能效提升6個(gè)數(shù)量級(jí)。在非視域場景下實(shí)現(xiàn)了千赫茲幀率的智能成像，效率提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。

拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域：在不依賴任何模型先驗(yàn)下可自動(dòng)搜索非厄米奇異點(diǎn)，為高效精準(zhǔn)解析復(fù)雜拓?fù)湎到y(tǒng)提供了新思路。

今年4月發(fā)布的太極I具備879 T MACS/mm2的面積效率與160 TOPS/W的能量效率，首次賦能光計(jì)算實(shí)現(xiàn)自然場景千類對(duì)象識(shí)別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。太極-II的面世是繼太極I芯片之后的一大突破，進(jìn)一步揭示了智能光計(jì)算的巨大潛力。如兩儀分立，太極I和II分別實(shí)現(xiàn)了高能效AI推理與訓(xùn)練；又如兩儀調(diào)和，太極I和II共同構(gòu)成了大規(guī)模智能計(jì)算的完整生命周期。

在原理樣片的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)正積極地向智能光芯片產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，在多種端側(cè)智能系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用部署。智能光計(jì)算平臺(tái)將有望以更低的資源消耗和更小的邊際成本，為人工智能大模型、通用人工智能、復(fù)雜智能系統(tǒng)的高速高能效計(jì)算開辟新路徑。

作為組成芯片的基本元件，晶體管的尺寸隨著芯片縮小不斷接近物理極限，其中發(fā)揮著絕緣作用的柵介質(zhì)材料十分關(guān)鍵。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料——人造藍(lán)寶石，這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅為1納米時(shí)，也能有效阻止電流泄漏。該研究員團(tuán)隊(duì)在Nature期刊發(fā)表題為“Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors”的研究論文，團(tuán)隊(duì)成員曾道兵博士為論文第一作者，田子傲研究員、狄增峰研究員為論文共同通訊作者。

狄增峰表示，二維集成電路是一種新型芯片，用厚度僅為1個(gè)或幾個(gè)原子層的二維半導(dǎo)體材料構(gòu)建，有望突破傳統(tǒng)芯片的物理極限。但由于缺少與之匹配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料，其實(shí)際性能與理論相比尚存較大差異。

傳統(tǒng)的柵介質(zhì)材料在厚度減小到納米級(jí)別時(shí)，絕緣性能會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致電流泄漏，增加芯片的能耗和發(fā)熱量。為應(yīng)對(duì)該難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術(shù)。

原位插層氧化技術(shù)的核心在于精準(zhǔn)控制氧原子一層一層有序嵌入金屬元素的晶格中，傳統(tǒng)氧化鋁材料通常呈無序結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員田子傲表示。

具體來看，團(tuán)隊(duì)首先以鍺基石墨烯晶圓作為預(yù)沉積襯底生長單晶金屬鋁，利用石墨烯與單晶金屬鋁之間較弱的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)4英寸單晶金屬鋁晶圓無損剝離，剝離后單晶金屬鋁表面呈現(xiàn)無缺陷的原子級(jí)平整。隨后，在極低的氧氣氛圍下，氧原子逐層嵌入單晶金屬鋁表面的晶格中，最終得到穩(wěn)定、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、原子級(jí)厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

狄增峰介紹，團(tuán)隊(duì)成功以單晶氧化鋁為柵介質(zhì)材料制備出低功耗的晶體管陣列，晶體管陣列具有良好的性能一致性。晶體管的擊穿場強(qiáng)、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標(biāo)均滿足國際器件與系統(tǒng)路線圖對(duì)未來低功耗芯片的要求，有望啟發(fā)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質(zhì)材料。