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

清華“太極-Ⅱ”光芯片面世

清華大學8月8日發(fā)布消息，清華大學電子工程系方璐教授課題組和自動化系戴瓊海院士課題組首創(chuàng)了全前向智能光計算訓練架構，研制了“太極-II”光訓練芯片，實現了光計算系統(tǒng)大規(guī)模神經網絡的高效精準訓練。該研究成果以“光神經網絡全前向訓練”為題于北京時間8月7日晚在線發(fā)表于《自然》期刊。

在模型訓練中，現有的光神經網絡訓練嚴重依賴GPU進行離線建模并且要求物理系統(tǒng)精準對齊，導致光學訓練的規(guī)模受到了極大的限制，光高性能計算的優(yōu)勢無法發(fā)揮。面對該困境，方璐、戴瓊海課題組創(chuàng)新“光子傳播對稱性”方法，將神經網絡訓練中的前向與反向傳播都等效為光的前向傳播。

據論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II架構下，梯度下降中的反向傳播化為了光學系統(tǒng)的前向傳播，光學神經網絡的訓練利用數據-誤差兩次前向傳播即可實現。兩次前向傳播具備天然的對齊特性，保障了物理梯度的精確計算。如此實現的訓練精度高，便能夠支撐大規(guī)模的網絡訓練。

全前向智能光計算訓練架構

由于不需要進行反向傳播，太極-II架構不再依賴電計算進行離線的建模與訓練，大規(guī)模神經網絡的精準高效光訓練終于得以實現。

該論文研究表明，太極-II能夠對多種不同光學系統(tǒng)進行訓練，并在各種任務下均表現出了卓越的性能。

大規(guī)模學習領域：突破了計算精度與效率的矛盾，將數百萬參數的光網絡訓練速度提升了1個數量級，代表性智能分類任務的準確率提升40%。

復雜場景智能成像：弱光環(huán)境下（每像素光強度僅為亞光子）實現了能量效率為5.40×10^6 TOPS/W的全光處理，系統(tǒng)級能效提升6個數量級。在非視域場景下實現了千赫茲幀率的智能成像，效率提升2個數量級。

拓撲光子學領域：在不依賴任何模型先驗下可自動搜索非厄米奇異點，為高效精準解析復雜拓撲系統(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，首次賦能光計算實現自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內容生成等人工智能復雜任務。太極-II的面世是繼太極I芯片之后的一大突破，進一步揭示了智能光計算的巨大潛力。如兩儀分立，太極I和II分別實現了高能效AI推理與訓練；又如兩儀調和，太極I和II共同構成了大規(guī)模智能計算的完整生命周期。

在原理樣片的基礎上，研究團隊正積極地向智能光芯片產業(yè)化邁進，在多種端側智能系統(tǒng)上進行了應用部署。智能光計算平臺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、復雜智能系統(tǒng)的高速高能效計算開辟新路徑。

中科院團隊開發(fā)出面向新型芯片的絕緣材料

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材料十分關鍵。

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員狄增峰團隊開發(fā)出面向二維集成電路的單晶氧化鋁柵介質材料——人造藍寶石，這種材料具有卓越的絕緣性能，即使在厚度僅為1納米時，也能有效阻止電流泄漏。該研究員團隊在Nature期刊發(fā)表題為“Single-crystalline metal-oxide dielectrics for top-gate 2D transistors”的研究論文，團隊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個或幾個原子層的二維半導體材料構建，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量柵介質材料，其實際性能與理論相比尚存較大差異。

傳統(tǒng)的柵介質材料在厚度減小到納米級別時，絕緣性能會下降，進而導致電流泄漏，增加芯片的能耗和發(fā)熱量。為應對該難題，團隊創(chuàng)新開發(fā)出原位插層氧化技術。

原位插層氧化技術的核心在于精準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構，這會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員田子傲表示。

具體來看，團隊首先以鍺基石墨烯晶圓作為預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，實現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無缺陷的原子級平整。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、化學計量比準確、原子級厚度均勻的氧化鋁薄膜晶圓。

狄增峰介紹，團隊成功以單晶氧化鋁為柵介質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、柵漏電流、界面態(tài)密度等指標均滿足國際器件與系統(tǒng)路線圖對未來低功耗芯片的要求，有望啟發(fā)業(yè)界發(fā)展新一代柵介質材料。