На проходившей с 7 по 11 декабря 2019 г. в Сан-Франциско (шт. Калифорния, США) 65-й Международной конференции по электронным приборам (International Electron Device Meeting, IEDM) французская исследовательская организация CEA-Leti представила ряд докладов, касавшихся, в частности, нейронных сетей, создаваемых и самоорганизующихся по законам биосистем; одного из методов считывания данных высокоточных измерений в больших массивах квантовых точек; неорганических тонкопленочных аккумуляторных батарей с оптимальной плотностью энергии и плотностью мощности для медицинских и имплантируемых приборов. Развитие этих и многих других перспективных технологий тесно связано с прорывами в области встраиваемой памяти, искусственного интеллекта, радиочастотных ИС, квантовых вычислений и средств накопления энергии.

Полностью интегрированные ИС нейронных сетей, создаваемых и самоорганизующихся по законам биосистем

Нейронные сети, создаваемые и самоорганизующиеся по законам биосистем (bio-inspired neural networks), – ​перспективное направление, находящееся в стадии активных разработок, которыми занимаются многие фирмы. Так, на IEDM‑2019 CEA-Leti представила доклад «Полностью интегрированная спайковая нейронная сеть¹⁵ с аналоговыми нейронами и синапсами на основе резистивных ОЗУ» (Fully Integrated Spiking Neural Network with Analog Neurons and RRAM Synapses). Функциональность концепции разработанного кристалла ИС (рис. 1) была подтверждена классификацией рукописных цифр. Отмечается, что вся сеть интегрирована на кристалле ИС и ни одна ее часть не эмулируется и не заменяется внешним контуром, как в некоторых других проектах. Кристалл использовался в демонстрации «вживую»: пользователи могли рисовать пальцем на экране планшетного ПК цифры, которые затем преобразовывались в последовательность пичков и классифицировались.

Источник: CEA-Leti

Рисунок 1. Ячейка резистивного ОЗУ (RRAM), созданного специалистами CEA-Leti: 

a) поперечное сечение ячейки RRAM, монолитно интегрированной поверх 130-нм КМОП-структуры;

б) микроснимок кристалла ИС; 

в) масштабирование топологических норм со 130 до 28 нм позволяет снизить площадь кристалла ИС в 36 раз

* FDSOI – полностью обедненный «кремний-на-изоляторе».

В рамках представленной CEA-Leti на IEDM‑2019 работы было зафиксировано пятикратное снижение потребления энергии по сравнению с эквивалентным кристаллом ИС, использующим формальное (алгебраическое) кодирование. Нейронная сеть сформирована таким образом, что синапсы на основе резистивных ОЗУ (RRAM) размещаются поблизости от нейронов, что обеспечивает непосредственную интеграцию синаптического тока. Нейроны спайковых нейронных сетей (SNN), обмениваются данными путем испускания спайков (пичков), т. е. дискретных событий, происходящих в определенный момент времени, а не в непрерывном режиме работы. Эти сети обладают потенциалом дальнейшего снижения требуемой вычислительной мощности, поскольку используют менее сложные вычислительные операции, например сложение вместо умножения. Они также используют разреженность входных событий, поскольку по своей сути основаны на событиях.

Специалисты CEA-Leti пояснили, что до настоящего времени демонстрация SNN на основе RRAM ограничивалась системным моделированием, откалиброванным на основе экспериментальных данных. В нынешнем докладе французских исследователей впервые была представлена полная интеграция SNN, объединяющей аналоговые нейроны и RRAM-синапсы. Тестовый кристалл ИС, изготовленный по 130-нм КМОП-процессу, показал хорошо контролируемую интеграцию синаптических токов и отсутствие проблем с чтением RRAM во время выполнения задач формирования логического вывода (по крайней мере 750 млн пичков).

Как известно, схемы RRAM представляют собой тип энергонезависимой оперативной компьютерной памяти, работающей на эффекте изменения сопротивления диэлектрического твердотельного материала.

Рабочие нагрузки, нацеленные на обработку данных, демонстрируемые приложениями глубоких нейронных сетей (DNN), требуют наличия схемных архитектур с минимальным перемещением данных. Это стимулирует развитие архитектур, в которых память пространственно расположена рядом с вычислительными элементами. Подобные ЗУ должны обладать высокой плотностью расположения элементов, предпочтительно быть энергонезависимыми и встроенными в вычислительный поток данных. Исходя из перечисленного, RRAM представляют собой приемлемое решение.

Помимо CEA-Leti в исследовании принимали участие специалисты Лаборатории интеграции систем и технологий при Комиссариате по атомной и альтернативным видам энергии (Laboratory for Integration of Systems and Technology, CEA-LIST). Надо отметить, что понятие «лаборатория» здесь достаточно условно – ​на деле это один из трех специализированных высокотехнологичных научно-исследовательских институтов (специализирующийся на цифровых системах), входящих в Технологическое научно-исследовательское отделение CEA (CEA Tech).

Результаты исследования CEA-Leti в очередной раз продемонстрировали обширность опыта этой организации в производстве схем RRAM поверх КМОП-пластин [1, 2].

Масштабируемые системы считывания больших массивов квантовых точек

В другом докладе, «Рефлектометрия затвора для пробных зарядов и спиновых состояний в линейных кремниевых МОП-матрицах электрически стираемых однотранзисторных запоминающих элементов» (Gate Reflectometry for Probing Charge and Spin States in Linear Si MOS Split-Gate Arrays), специалисты CEA-Leti продемонстрировали потенциально масштабируемый метод считывания, который может быть достаточно быстрым для высокоточных измерений в больших массивах квантовых точек. Это имеет большое значение для быстрого, высокоточного, однократного считывания крупных массивов кремниевых МОП спиновых кубитов, совместимых с технологическими процессами кремниевых заводов.

Исследователи описали свои инструментальные средства, разработанные на основе SOI-MOSFET-платформы создания опытных образцов (платформа КНИ-МОП полевых транзисторов), которая позволяет быстро считывать состояния заряда и спина. Были исследованы две системы отсчета отражательной спектрометрии на основе вентилей для зондирования зарядовых и спиновых состояний в линейном расположении МОП-матриц квантовых точек с разделенными затворами. Первая система дает точное количество зарядов, входящих в массив, и может помочь его инициализировать. Она также способна считывать спиновые состояния, хотя и в относительно небольших массивах. Вторая система определяет спиновое состояние в любой квантовой точке независимо от длины массива, но не пригодна для отслеживания номера заряда. Обе схемы считывания могут быть использованы совместно в больших массивах данных.

В краткосрочной перспективе усилия ученых будут сосредоточены на совместной оптимизации элементов процесса для обес-печения повышения скорости и надежности считываний. В долгосрочном плане предполагается развернуть наработки в более крупном масштабе и распространить их на менее традиционные архитектуры, отличающиеся оптимизированной под исправление ошибок топологией.

Метод рефлектометрии использует отражение сигнала вдоль проводящей линии, когда падающая радиочастотная волна встречается с разрывом импеданса. В исследовании CEA-Leti зондирующая линия была соединена с MOS-затвором кремниевой квантовой точки. Система была подготовлена таким образом, чтобы импеданс нагрузки зависел от спинового состояния кубита, что позволило команде отслеживать единичные спиновые события без разрушения и почти по мере их возникновения.

Помимо специалистов CEA-Leti в описанной исследовательской работе принимали участие сотрудники Института Нееля Национального центра по научным исследованиям (г. Гренобль, Франция), Междисциплинарного научно-исследовательского института Гренобля при Комиссариате по атомной и альтернативным видам энергии (CEA-IRIG), Института Нильса Бора, Копенгагенского университета (Дания), Лаборатории Hitachi и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Великобритания) [1, 3].

Тонкопленочные аккумуляторные батареи для медицинских имплантатов

CEA-Leti также представила доклад об изготовлении полностью твердотельных, неорганических тонкопленочных батарей (TFB), которые демонстрируют лучшую производительность, чем существующие аналогичные устройства. Новая разработка потенциально может расширить рынок миниатюрных средств накопления и хранения энергии для медицинских имплантируемых, инъекционных и носимых приборов. По мнению разработчиков, тонкопленочные батареи обеспечивают одни из самых высоких плотностей энергии, демонстрируемые электрохимическими средствами накопления и хранения энергии. До сих пор их интеграции в миниатюрные приборы препятствовал ряд факторов, таких как трудности увеличения толщины электродов и контроля их формы в микронном масштабе, что не позволяло существенно повысить удельную эффективность плотности энергии.

В докладе «Тонкопленочные батареи миллиметрового масштаба для интегрированных накопителей с высокой плотностью энергии» (Millimeter Scale Thin-Film Batteries for Integrated High-Energy-Density Storage) представители CEA-Leti заявили о достижении плотности энергии порядка 890 мкА⋅ч/см^–2 (рис. 2), что является самым высоким показателем, зарегистрированным до сих пор для таких устройств. Также утверждается, что новая архитектура TFB демонстрирует высокую плотность мощности – ​до 450 мкА⋅ч/см^–2 при плотности тока 3 мА/см^–2.

Источник: CEA-Leti

Рисунок 2. Сопоставление плотности энергии и плотности мощности тонкопленочной аккумуляторной батареи CEA-Leti с изделиями других разработчиков

Продолжающаяся миниатюризация электроники выдвигает на первый план потребность в высокоинтегрированных электрохимических средствах накопления и хранения энергии. При этом расположение таких источников питания вблизи от точки нагрузки уменьшает потери от рассеяния мощности и помех от переключений устройств ввода–вывода, которые ограничивают эффективность чувствительных приборов в уникальных форм-факторах. Недавно достигнутые успехи в технологиях изготовления микроскопических интегрированных электрохимических конденсаторов позволили обеспечить высокую плотность мощности и высокочастотные характеристики, но низкая плотность энергии этих устройств может препятствовать использованию MEMS и автономных устройств, требующих длительных периодов работы между циклами зарядки–подзарядки.

Решением этих проблем, по мнению специалистов CEA-Leti, могут стать тонкопленочные батареи миллиметровых размеров с высокой плотностью энергии, интегрирующие LiCoO₂-катод толщиной 20 мкм в конфигурацию с анодом без применения лития.

В докладе также содержатся следующие выводы:

TFB миллиметровых размеров демонстрируют наилучшую производительность с точки зрения плотности энергии и плотности мощности (0,8 мА⋅ч/см² и до 12 мВт/см²);

процесс изготовления TFB совместим с крупносерийным промышленным производством и позволяет легко контролировать и настраивать электрохимические свойства прибора.

Как известно, производители источников питания изо всех сил стараются создать приборы, не только способные функционировать в микромасштабе, но и обладающие высокими плотностями мощности и энергии. Разработанные специалистами CEA-Leti приборы типа TFB предлагают такие возможности. При этомданные разработки демонстрируют самую высокую на сегодняшний день производительность по сравнению с существующими TFB-решениями и микросуперконденсаторами [1].

1. Dahad Nitin. Leti at IEDM: Bio-Inspired Chips, Scalable Quantum Dots and Thin-Film Batteries. EE Times, December 11, 2019: www.eetimes.com/leti-at-iedm-bio-inspired-chips-scalable-quantum-dots-and-thin-film-batteries/ 

2. Davis Shannon. CEA-Leti Builds Fully Integrated Bio-Inspired Neural Network with RRAM-Based Synapses and Analogue Spiking Neurons. Semiconductor Digest. News and Industry Trends, December 11, 2019: www.semiconductor-digest.com/2019/12/11/cea-leti-builds-fully-integrated-bio-inspired-neural-network-with-rram-based-synapses-and-analogue-spiking-neurons/ 

3. Davis Shannon. CEA-Leti and Partners Demonstrate Potentially Scalable Readout System for Large Arrays of Quantum Dots. Semiconductor Digest. Display, December 12, 2019: www.semiconductor-digest.com/2019/12/11/cea-leti-and-partners-demonstrate-potentially-scalable-readout-system-for-large-arrays-of-quantum-dots