北京清华大学高精尖研究中心
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News 研究动态
6月2日-6日,第45届国际计算机体系结构大会(International Symposium on Computer Architecture,简称ISCA)在美国洛杉矶召开。清华大学微电子所、中心支持的优秀博士生涂锋斌在会上做了题为《RANA:考虑eDRAM刷新优化的神经网络加速框架》(RANA: Towards Efficient Neural Acceleration with Refresh-Optimized Embedded DRAM)的报告。该研究成果大幅提升了人工智能计算芯片的能量效率。清华微电子所博士生涂锋斌报告现场ISCA是计算机体系结构领域的顶级会议。本次大会共收到378篇投稿,收录64篇论文,录用率仅为16.9%。本文是今年中国唯一被收录的署名第一完成单位的论文。尹首一副教授为本文通讯作者,论文合作者还包括清华大学微电子所魏少军教授和刘雷波教授等。随着人工智能应用中神经网络规模的不断增大,计算芯片的大量片外访存会造成巨大的系统能耗,因此存储优化是人工智能计算芯片设计中必须解决的一个核心问题。可重构研究团队提出一种面向神经网络的新型加速框架:数据生存时间感知的神经网络加速框架(RANA)。RANA框架采用了三个层次的优化技术:数据生存时间感知的训练方法,混合计算模式和支持刷新优化的eDRAM存储器,分别从训练、调度和架构三个层面优化整体系统能耗。实验结果显示...
发布时间: 2018 - 06 - 07
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最近,中心低维量子材料与器件团队实现了99.9%纯度的半导体性碳纳米管水平阵列的稳定制备。这项研究不仅实现了高纯度半导体性碳纳米管的直接制备,为碳纳米管电子学的实际应用铺平了道路,同时也为其它纳米材料的选择性合成提供全新的思路。该项工作以“Growing highly pure semiconducting carbon nanotubes by electrotwisting the helicity”为题,于4月23日在《自然·催化》杂志上在线发表。单壁碳纳米管由于具备纳米尺寸的结构和出色的电学性质,被认为是构筑未来芯片和柔性器件的最佳材料之一。然而,碳纳米管的种类多种多样,不同螺旋度(手性)的碳纳米管的物理性质差异十分巨大。目前直接制备的单壁碳纳米管通常都是金属性和半导体性碳纳米管的混合物,这为碳纳米管在电子学上的实际应用带来了巨大困难。据估计,要想使碳纳米管进入到商业化应用的阶段,一方面要具备非常高的排列密度和良好的品质,另一方面其中的半导体性碳纳米管要具有高达99.9999%纯度。在传统的化学气相沉积合成碳纳米管过程中,催化剂对碳纳米管成核时的手性起了决定性的作用,并且在大多数情况下,碳纳米管的手性在其生长过程中不发生变化。因此,目前催化剂设计已经成为特定手性碳纳米管选择性制备的主流方案。但是另一方面,如果在碳纳米管生长的过程中对其施加一个扰动,则碳纳米管的螺旋...
发布时间: 2018 - 05 - 21
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最近,中心低维量子材料与器件研究团队的博士研究生刘畅、臧运祎、阮威等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,利用分子束外延技术生长了高质量、厚度精密可控的Mn掺杂Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜,并系统研究了薄膜厚度、温度以及栅极电压对输运现象的影响。该研究成果以“Dimensional Crossover-Induced Topological Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator”为题发表在10月27日的Physical Review Letter上,并且被选为编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。 磁性掺杂拓扑绝缘体中存在着量子反常霍尔效应等一系列新颖的拓扑量子现象,在未来自旋电子学和拓扑量子计算方面也可能有潜在的应用价值。此前人们对该体系的研究主要集中在动量空间的能带拓扑结构,而实际上磁性材料在实空间也可能展现如斯格明子等拓扑结构。 中心低维量子材料与器件研究团队的博士研究生刘畅、臧运祎、阮威等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,利用分子束外延技术生长了高质量、厚度精密可控的Mn掺杂Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜,并系统研究了薄膜厚度、温度以及栅极电压对输运现象的影响。霍尔效应的测量结果表明,较厚的三维薄膜(厚度大于等于5个原胞,即5 QL)展现通常铁磁材料具有的反常霍尔效应。然而伴随着材料体...
发布时间: 2017 - 11 - 03
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近年来随着拓扑量子材料的蓬勃发展,磁学领域内也衍生出了一个新兴的学科 — 拓扑自旋电子学。拓扑自旋电子学以寻找、研究、利用新型拓扑自旋结构为核心,其典型研究对象为自旋实空间中具有拓扑保护属性的磁性斯格明子(magnetic skyrmion)。来源于其拓扑特性,微纳米尺度的斯格明子可以被非常微弱的电流高效驱动。因而被业界认为是下一代高密度、高速度、低耗能、非易性自旋存储器件中的优良信息载体。在潜在产业应用的同时,斯格明子实空间自旋拓扑态也给予了丰富的拓扑输运物理现象,譬如拓扑霍尔效应(topological Hall effect)、新兴磁电动力学(emerging magneto-electrodynamics)、斯格明子的霍尔效应(skyrmion Hall effect)等等。因此,对拓扑磁性斯格明子,尤其是室温下的斯格明子的基础研究不但能揭示、预测、理解这些有趣的拓扑量子物理,同时也能为下一代新型自旋拓扑存储器件做好知识与技术储备。 在一系列前期工作基础之上[Science, 349, 283 (2015)以及Nature Physics 13, 162 (2017)],清华大学物理系、 低维量子物理国家重点实验室江万军助理教授等人应邀在Physics Reports上发表综述文章。从斯格明子在薄膜材料中的物理起因、到设计与制备、拓扑输运物理、原型功能器...
发布时间: 2017 - 09 - 28
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近期,中心低维量子材料与器件团队的周树云、段文晖和吴杨等研究人员首次在1T对称性的二维层状材料PtTe2中观测到了第二类狄拉克费米子存在的直接实验证据。研究成果以“Lorentz-violating type-II Dirac fermions in transition metal dichalcogenide PtTe2”为题,在线发表在2017年8月15日的《自然•通讯》(Nature Communications)杂志(DOI:10.1038/s41467-017-00280-6)上。 近年来,拓扑半金属材料吸引了研究人员的广泛关注。随着对材料拓扑属性的认识的进一步深入,大量新奇量子态(例如狄拉克费米子和外尔费米子)在凝聚态材料中得以实现。由于凝聚态物理中的低能准粒子激发不受洛伦兹不变性的限制,因而可以期望在量子拓扑材料中观测到粒子物理学标准模型所描述的基本粒子之外的新型准粒子激发,这其中一个典型的例子就是第二类的狄拉克/外尔费米子(type-II Dirac/Weyl fermions)。第二类狄拉克/外尔费米子与第一类的区别,主要体现在狄拉克锥出现在电子波包和空穴波包的交点,因此沿着特定的动量空间发生严重倾斜(图1示意图)。图1:狄拉克和外尔半金属分类图 由于狄拉克费米子可以看作一对手性相反的外尔费米子,因此继实验上成功观测到第二类外尔费米子之后(N...
发布时间: 2017 - 08 - 25
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近年来发现的磁性拓扑绝缘体材料中蕴含着以量子反常霍尔效应为代表的丰富物理现象,然而其中磁有序的机制及调控手段还有待深入研究。特别是如果能够在场效应晶体管器件中利用栅极电场对磁性进行原位调整,对于拓扑绝缘体在自旋电子学中的应用具有重要意义。最近,中心低维量子材料与器件团队的博士研究生张祚成、冯硝等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,利用分子束外延技术生长了高质量的Cr掺杂Bi2(SexTe1−x)3拓扑绝缘体薄膜。此前该研究组的实验结果表明,通过改变Se和Te掺杂浓度的比例,该系统可以实现从顺磁态到铁磁态的量子相变。在这个工作中,他们将该系列薄膜制备成场效应晶体管器件(如下图左所示),并研究了低温下反常霍尔效应随栅极电压的变化。他们的实验结果发现,当该磁性拓扑绝缘体系统接近掺杂的量子临界点时(Se的含量约为0.67),外加栅极电场即可引起从铁磁到顺磁的量子相变(如下图右所示)。然而当该系统远离量子临界点时,栅极电场无法对磁性产生有效影响。为了理解该现象的物理机制,他们与斯坦福大学的王靖和张首晟等合作。理论分析表明,当该磁性拓扑绝缘体接近量子临界点时,外加栅极电场通过斯塔克效应(Stark effect)可以改变体系中能级的相对位置,从而使得原本反转的拓扑能带结构变成平庸的能带结构。由于拓扑绝缘体中能带的拓扑性质对磁性具有重要的影响,这个电场引起的拓扑量子相变可以进而导致该体系发生从铁...
发布时间: 2017 - 08 - 17
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近日,中心王亚愚教授研究组以“Visualizing the evolution  from the Mott insulator to a charge ordered insulator in lightly doped cuprates”为题在Nature Physics杂志在线发表最新研究成果。王亚愚教授研究组发展了可测量绝缘性氧化物的扫描隧道显微镜技术,并利用其对极度欠掺杂的Bi2Sr2-xLaxCuO6+d铜氧化物体系进行实验研究,系统揭示了其电子结构随掺杂浓度的演化趋势。该研究为理解铜氧化物超导体电子结构的演化、电荷有序态的形成机制及其与超导电性的关系提供了有重要价值的新线索。
发布时间: 2017 - 06 - 15
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5月12日,清华大学微电子所钱鹤、吴华强课题组在《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了题为《使用电子突触阵列实现人脸识别》(Face Classification using Electronic Synapses)的研究成果,将氧化物忆阻器的集成规模提高了一个数量级,首次实现了基于1024个氧化物忆阻器阵列的类脑计算。该成果在最基本的单个忆阻器上实现了存储和计算的融合,采用完全不同于传统“冯·诺依曼架构”的体系,可以使芯片更加高效地完成计算任务,使能耗降低到原千分之一以下。在人工智能日益火热的今天,由于“冯·诺依曼架构”存在“存储墙瓶颈”,现有计算平台无法高效实现相关算法,功耗成为制约因素。相比之下,人脑可以快速、低功耗地完成各种学习任务。人脑中大约有1000亿个神经元,每个神经元之间通过成千上万个神经突触连接起来,构成复杂的神经网络。人脑的突触能够同时、原位地进行记忆和计算,这与“冯·诺依曼架构”存在着显著不同。1971年,伯克利大学的蔡少棠(Leon Chua)教授理论上计算推出了第四类基本电子元器件——忆阻器(阻变存储器)的存在; 2008年,惠普公司在《Nature》上报道了实验证实忆阻器存在的工作,在国际上引起巨大轰动。忆阻器不仅可以被看做下一代存储器件,同时被认为是最具潜力的电子突触器件。通过在忆阻器两端施加...
发布时间: 2017 - 05 - 16
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近期,中心宋成教授等人在材料领域著名学术期刊Progress in Materials Science发表题为Recent progress in voltage control of magnetism: Materials, mechanisms, and performance的文章,对电学调控磁性领域的近期进展进行综述。 图为铁磁/铁电薄膜界面电子轨道开关与物理性能的门电压调控 存储器是现代集成电路中最基本、最重要的部件之一,其性能是评价微电子技术水平的重要指标。随着产业发展和需求提升,基于材料磁学性能和电学性能的存储器已得到广泛应用。然而,基于磁场的磁记录擦写能耗仍然偏高,基于自旋转移力矩的新一代磁随机存储器进行磁信息写入的临界自旋极化电流密度仍居高不下,与相应半导体工艺水平的晶体管所能承受的最大电流密度仍存在一定差距。因此,亟需发展能耗更低的信息存储技术。电控磁效应是利用外界电场的作用来调控材料的磁学特性,进而达到数据存储的目的。这个过程中,磁性的改变不需要外磁场,整个过程也没有电流通过(门电极只是提供电场),可以很大程度上地降低能耗。因此,它的出现有望极大推动高速、高密度、低能耗和非易失性存储器的发展。
发布时间: 2017 - 03 - 06
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近期,中心江万军研究组系统研究了受自旋电流驱动的斯格明子的动力学行为,相关研究成果以“Direct observation of skyrmion Hall effect”为题在线发表于Nature Physics上。该研究采用微磁学模拟以及磁光克尔显微镜成像技术,在室温下成功地观测到了拓扑电荷的霍尔效应。与传统电荷在磁场中的霍尔效应类似,该研究表明由于受到拓扑马格纳斯力(topological Magnus force)的影响,拓扑电荷会聚集在样品的侧边,从而展示出宏观的斯格明子霍尔效应。与中心反演对称破缺的手性块体材料不同的是,此结果是利用界面的反演对称性破缺,强的自旋轨道耦合,在非磁性重金属/超薄铁磁体/绝缘体异质结这一低维人工磁性系统中实现的。这项工作为理解斯格明子的拓扑量子输运以及未来原型拓扑存储器件的制备具有指导意义。自磁性斯格明子在非中心对称的块体磁性材料中被发现以后,引起凝聚态物理学尤其是自旋电子学领域的极大关注。理解新颖的拓扑量子现象,寻找室温下的斯格明子,以及制备原型拓扑存储器件已经成为当下凝聚态物理学中的一个研究热点。
发布时间: 2017 - 03 - 06
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近期,中心研究团队牵头承担了数项首批国家重点研发计划,包括尤政教授团队牵头承担的“基于微纳航天器的分布式可重构遥感技术”,钱鹤教授团队牵头承担的“纳米存储器三维集成中的基础研究”以及段文晖教授团队牵头承担的“二维新型量子体系的设计、调控和原型器件探索”。
发布时间: 2017 - 03 - 06
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