用原子当“乐高”拼出“未来计算机”| 前沿扫描

报告人：缪峰，南京大学物理学院副院长

原标题：面向未来打算的二维材料与“原子乐高”研究

日期：2023年5月13日-14日

专家先容

缪峰

缪峰，南京大学物理学院教授、副院长，南京大学类脑智能科技研究中央主任，紧张从事二维材料的量子调控与信息器件研究。

各位老师上午好，本日很荣幸有机会给大家做一个申报请示。
我本日给大家申报请示的主题是紧张面向未来打算的二维材料与“原子乐高”研究，包括本领域的研究现状，以及我们对这个方向发展的展望。

本日的申报请示有三个部分，首先先容一下本方向的研究的背景，包括紧张的寻衅以及机遇，第二方面为大家先容一些代表性的研究进展，末了再大略的讲一下未来研究方向的展望。

“原子乐高”或将成为人工智能时期的铺路石

在最近的一段韶光里，ChatGPT非常火爆，让大家感想熏染到人类文明正在步入人工智能时期。
在利用ChatGPT的过程中，会明显觉得到这个软件的卡顿，这是由于软件的后台正在进行思考，也便是说这一软件背后的算力是不太够用的。
放大来说，人工智能的时期有一个非常大的特色，便是每天会产生大量的待处理数据，对人工智能软件进行演习，并且与人进行实时沟通。
为了担保类似ChatGPT这类软件的准确性和实时交互性，未来社会对算力的哀求将会呈指数增长。

但是，现有的打算技能所能供应的算力已经靠近其理论极限。
现有的打算技能以晶体管为基本载体，以01双值来表示信息，结合冯诺依曼的存算分离架构来实现信息处理。
该技能所能供应的算力和未来对算力的需求之间会涌现一个非常大的缺口，这也是人工智能时期将要面对的紧张寻衅之一。

那么，为什么会涌现缺口呢？首先一个非常主要的缘故原由是摩尔定律的闭幕。
目前，虽然芯片制程越来越前辈，来到3纳米乃至2纳米的阶段，但是这一制程规模已经靠近极限；而且，如果从经济的角度来看，摩尔定律已经事实上闭幕了，由于现在的每个晶体管的价格要比之前的更贵了。
第二个缘故原由叫做功耗墙。
在目前的存算分离架构中，数据须要在存储单元和打算单元之间一直地来回转移，这个过程中会产生比较大的功耗，以及由此带来的散热问题。
选购电脑的时候，我们可以创造，市场上电脑的CPU主频在过去十多年的韶光里从来没有上升过，这便是功耗墙的详细表示。
第三个问题是，在目前的打算技能架构中，不同级的存储单元之间会有权属墙的问题，这也影响了算力的相应速率和相应韶光。

面对这几方面的寻衅，一方面，急需转换赛道的发展，创造机遇，发展颠覆性的器件以及新的打算的范式。
另一方面，这也匆匆使我们“转头看”，反思现在的“数字天下”。
人们每天生活的天下中，感想熏染到的信息都是仿照的（旗子暗记在韶光上有连续性，可以在一定范围内任意取值，与“数字的”相对——编者注），而现在的打算机系统是数字的，要进行数据处理时，就要先利用各种传感器把现实天下中的仿照信息通过“取样—保持”的方法网络成数字信息，对信息进行二值化，再进行存储和打算，末了还是以仿照的形式输出给人类。
此时，我们提出一个反思的问题，那便是：对付未来人工智能时期来说，这种“仿照—数字—仿照”的二次转化，是不是最优的办理方案？这样的双向转化无疑是摧残浪费蹂躏能效的，如果想得到更高的能效和更低的能耗，可以避免数字化的转化，而是直接对仿照旗子暗记进行处理和调控。

这一仿照旗子暗记处理和调控的思路，与物理学中关于物态调控的想法不谋而合。
在由于在仿照域（现实天下）中，信息对应的物理系统中的状态变量（简称物态），而物态调控则是系统状态变量的蜕变，也便是信息的处理和打算过程。
比如，电力输运中的峰谷电调控过程中，电力系统作为一个物理系统，个中的电流、电压等状态信息便是输入旗子暗记，而电厂的调峰手段则相称于信息的调控处理过程，通过物态的调控，得到新的输出电压和电流，这一全体过程便是对仿照旗子暗记的直接调控和处理。
如果能找到新的材料，个中既有丰富的物态（能表示很多信息），同时也具有易调控特色，那么这类材料就非常适宜仿照旗子暗记处理，从而为未来的打算技能供应崭新的体系。
这也正是基于二维材料的新低维材料体系进入人们视野的主要缘故原由。

二维材料的种类非常多，已知的有靠近2000种，个中所包含的物态非常丰富，而且由于自身是低维体系，非常随意马虎被调控。
此外，二维材料还有一个故意思的地方：我们可以把不同的二维材料制身分歧的单元，按照设计和想象来实现新的一体构造，我们也称它为“原子乐高”，这种拼接不仅可以加入适宜调控的新材料，而且可以在不同的材料之间的界面上带来更加丰富的物态。
因此，二维材料领域是一个非常新兴的，逐步得到更多关注的方向。

如果按照调控办法来分类，那么基于二维材料的仿照旗子暗记直接处理可以分为两大类：

第一种是物态的电学调控。
例如在我们课题组去年的一项事情中，用小转角的双层石墨烯来搭建“原子乐高”构造。
在这个构造中，可以不雅观察到一种新的物态，称为电子固体，其物理自由度是电荷的空间序。
可以用电场的办法，来调节电子的关联效应，实现电子固体—临界态—电子液体态之间的连续蜕变。
这就意味着在原有物态的根本上，进一步通过电场调控的办法输入信息，终极获取新物态，实现打算的结果，从而实现了一种可调控，易读取，易集成的固态量子仿照性。

在电场调控的领域中，近年来也有很多探索性的事情，比较有代表性的事情例如：在石墨烯/氧化硫化钼/石墨烯的“原子乐高”构造中，通过调控电场来掌握界面势垒，的式子的话，可以实现高鲁棒性忆阻器，这是一个非常范例的类脑器件；在CVD成长的二硫化钼的薄膜中，通过电场来调节晶界的迁移，可以改变肖特基势垒高度，实现可调多端忆阻晶体管器件；其余一个事情也非常有趣，通过锂离子的迁移进行夹层之间的调控，进一步实现1T’到2H之间的相转变，以此为根本来实现类脑打算；再例如，在单层的二硫化钼中，在电场的浸染下，可以掌握单原子化学键的形成和断裂，进而实现原子厚度的忆阻器。

第二类调控手段，是光电信息的调控。
这一观点与普通的光电传感器是不同的。
传统的光电传感器，只是把光旗子暗记大略地转换为可以读取的电旗子暗记。
而在光电调控的观点下，我们要做的事情是，将图像以光电旗子暗记的形式输入，在探测的同时，在器件上进行原位的信息处理。
在2020年的一项事情中，研究职员利用双极性的二硒化钨材料设计了一个分立栅构造，通过电场调控载流子的类型，实现纳秒尺度的神经网络传感器。
我们课题组也有一项事情，搭建了二硒化钨/氮化硼的“原子乐高”，利用电场和光场调控沟道中的载流子浓度，不仅可以实现旗子暗记的正相应，也可以实现旗子暗记的负相应，这与人类视网膜对光旗子暗记的“感算一体”特色类似，因此这项事情实现了可重构类视网膜器件。

光电调控目前也是一个非常生动的方向，在近几年也涌现了很多比较有代表性的事情：利用电场调控二硒化铂/二硒化钯异质结的界面能带匹配，从而调控其对不同光频率的光电相应特性，实现了宽光谱卷积智能传感器；又如，利用电场调控二硫化钼/二硫化钨/石墨烯异质结中光电毛病行为，实现了光电忆阻反馈神经元器件；利用电场调控带有表面毛病二硫化铂的光敏感度，实现生物启示的自适应视觉传感器；其余，还有一项非常故意思的事情，在石墨烯莫尔异质结中，利用电场和载流子浓度调控该构造的体光伏效应，实现了可识别高维信息的智能红外传感器。

“原子乐高”要办理的三大问题

对付“原子乐高”这样一个新兴方向，它未来的发展有一些基本展望。
原子乐高是一个高度交叉的方向，涉及到物理学、信息学领域的交叉，在这个交叉过程中，会有三个层面的问题。

首先，在二维材料物态调控方面，关键问题是如何选取得当的物理自由度并加以调控。
想要办理这一问题，须要进一步研究新型的低维量子体系例如二维材料与异质结等体系中的新奇物性与外场调控；同时我们还认为，有必要建立有效的筛选机制，找到具备多功能的低维量子材料体系，例如可同时实现脉冲发放与权值调节，同时拥有与Fab兼容，随意马虎制备的的特点。

第二，基于已找到的新事理物态表示和调控办法，还须要设计和实现干系的器件，这个中的关键科学问题是如何去选取得当的器件状态变量，以及相应的事情机制。
今后的发展目标是，结合量子材料的物态调控规律，去设计新事理的打算器件，进而实现像类脑器件一类的高效率打算器件，在此根本上进一步实现器件的小型阵列展示。

第三，在阶段性的系统运用方面，在完成物态调控规律的选择以及新事理器件设计后，有必要进一步研究高能效的信息打算架构与系统。
第一步是开拓基于量子材料打算器件的新架构与算法，并建立具备初步规模的模型系统。
例如我们课题组设计的智能小车，利用了大略的忆阻器，可用光旗子暗记来对它进行掌握，并且可以实现智能车道选择和避障。
第二步是实现阶段性的系统运用，并完成包括驱动电路在内的集成工艺开拓。
第三步也是我们的终极目标，是实现具备显著性能上风的专用/通用原型类脑智能打算机。

在过去的十多年里，环绕着凝聚态物理和物态调控方向，我们做了很多的事情，与此同时，在这些新事理的根本上，我们也设计并开拓了原型器件，乃至做了一些大略系统。
这两个方向是一贯同步推进的。

在未来，打算技能的架构是须要换代发展的，而物态调控作为信息处理的过程，是有成为下一代打算架构根本的潜力的。
现在的紧张的寻衅在于，要找到得当的材料体系和物理机制，而二维材料以及原子乐高构造的物态非常丰富，非常随意马虎掌控，以是展现出了巨大的发展潜力。
在电学调控和光电调控机制两个方向上，已经有了许多主要进展，未来的发展方向紧张涵盖了材料制备、物态调控，新事理的器件，以及架构与系统的设计等方面，为未来打算的技能的实现，供应坚实的物理根本。
感激大家！