时间：2023/11/16
作者：From 半导体芯闻
南加州大学维特比领导的新研究发现了一种具有不寻常材料特性的新型半导体，可以实现像人脑一样运作的节能计算硬件。
人工智能已经在改变我们的工作和生活方式，自动执行耗时的任务并简化我们的决策。
然而，人工智能算法大多在传统的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的硬件上运行。这要求他们接受大型数据集的训练，以完成最简单的任务，例如图像分析或面部识别。处理这些数据密集型请求需要大量的计算资源，例如数据中心。该过程消耗大量能量。
南加州大学维特比工程学院的研究小组发现了一种具有独特材料特性的新型半导体，可以实现更节能的计算硬件，其功能类似于人脑。近期在《Advanced Materials》和《Advanced Electronic Materials》杂志上发表了两篇相关研究论文。这项研究由莫克家族化学工程与材料科学系 2023 届材料科学博士毕业生陈焕东领导，他来自化学工程与材料科学以及电子与计算机工程副教授 Jayakanth Ravichandran 的研究小组。
人类大脑非常擅长联想学习——我们有一种与生俱来的能力来唤起记忆、建立联系以及理解彼此相关的物体和刺激。人脑利用互连的神经元和突触在本地处理信息时存储信息。我们的大脑能够处理高度复杂的任务并以极低的能耗运行。为了实现节能的高级计算，非常需要开发神经形态计算硬件（模仿人脑架构和操作的硬件）。
模仿大脑的硬件材料
如果材料可以在两种状态（也称为相变）之间突然移动，这就为模仿大脑的硬件提供了基础。例如，温度的微小差异会极大地改变材料的电导率（电流通过的容易程度），从高值变为低值，反之亦然。这种受神经元启发的相变装置仅在少数材料中实现。
南加州大学维特比研究人员在半导体中发现了新颖的电子相变，并利用这些有趣的物理特性来证明电导率随温度和施加电压的变化而突然变化，这可以促进节能神经形态计算的发展。
拉维钱德兰 (Ravichandran) 担任菲利普和凯莉·麦克唐纳 (Philip and Cayley MacDonald) 捐赠的早期职业主席。自 2017 年以来，他的团队一直在研究一种称为硫化钛钡 (BaTiS 3 ) 的半导体材料。该团队的工作使 BaTiS 3材料表现出创世界纪录的高双折射特性，即光线被分成两部分的现象。在最近的一项不相关的工作中，他们在相关材料中发现了更高的价值。
“然而，作为一种半导体，我们预计 BaTiS 3不会出现任何突然的相变，”Ravichandran 说。
“天真地认为，这种材料应该表现得像一个‘无聊’的半导体，没有任何相变的预期，”陈说。
一个令人惊讶的发现
Ravichandran 和他的团队在测量不同温度下 BaTiS 3材料的电性能时惊讶地观察到了 BaTiS 3 材料的相变特征。材料冷却后，BaTiS 3的电阻率增加，并在 240 开尔文（约 -33 摄氏度）左右发生转变，其特点是电导率突然变化。随着进一步冷却，温度继续升高直至 150 开尔文（约 -123 摄氏度），此后材料会经历另一次转变，电导率增加。
“在我们的实验中观察到异常行为总是令人兴奋，但我们必须仔细检查以确保这些现象是真实的且可重复的，”拉维钱德兰说。
在这项工作中，陈进行了仔细的实验，以排除许多外在因素的影响，例如接触电阻和应变状态，这些因素可能会使这种影响变得复杂。事实证明，这种独特的特性源于材料本身。
“在表征这种新材料系统时，这一点尤其重要。不排除其他因素的一个很好的例子是最近围绕所谓的室温超导体 LK-99 发生的戏剧性事件，其中电阻率在 105°C 左右急剧下降似乎可能是由于一种称为 Cu2S 的杂质造成的。” ”陈说。
该团队还研究了 BaTiS 3材料的晶体结构在这些电子相变过程中如何变化，从而对应于电导率的变化。
赵博阳，材料科学博士 Ravichandran 团队的候选人前往劳伦斯伯克利国家实验室的同步加速器绘制结构演化图。通过结合来自电学和结构测量的信息（这是电荷密度波相变这一有趣现象的关键实验特征），该团队可以声称BaTiS 3中存在电荷密度波序。
“我们发现了一种非常特殊的电荷密度波相变材料。大多数电荷密度波材料仅从金属态（高导电率）转变为绝缘体态（低导电率）。我们发现，您可以从低电导率状态转变为低电导率状态。这种绝缘到绝缘的转变非常非常罕见，只有少数例子。所以，从科学角度来说，这非常有趣，”Ravichandran 说。
BaTiS 3中的相变如何工作尚不完全清楚。该团队与圣路易斯华盛顿大学的Rohan Mishra 团队合作，进行材料建模，以获得对材料系统的更深入了解。目前的实验和理论研究结果表明，与大多数电荷密度波材料相比，观察到的相变现象具有意想不到的起源。该团队正在进行进一步的研究，以更好地理解这一现象。
关于新型相变材料发现的最新先进材料研究是与西雅图华盛顿大学、圣路易斯华盛顿大学、哥伦比亚大学、橡树岭国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者进行的。
显示实际材料的原型
在最近发表在Advanced Electronic Materials上的后续工作中，Chen 和他的合作者使用 BaTiS 3材料制造了第一个原型神经元设备。他们能够通过改变电流和电压来显示突然切换。他们还显示了电压振荡，这意味着相变中两种状态之间的快速切换。在大脑中也观察到类似的电压振荡。
“这是 BaTiS 3实际电子设备应用的重要一步。看到原型设备演示和基本材料特性发现之间的时间间隔如此之短，这也是非常令人兴奋的，”陈说。
电压振荡的频率因工作温度和通道尺寸而改变。较低的工作温度和较短的器件通道尺寸会产生较高的振荡频率。
“我们期望通过将多个 BaTiS 3神经元相互连接或与其他被动突触装置集成来实现更复杂的神经元功能，正如另一个相变系统 VO 2中所成功证明的那样。未来将这种材料制成具有相变特征并可能与我们的半导体制造兼容的薄膜材料的努力可能会引起研究界和半导体行业的极大兴趣。”陈说。
