可重构存内逻辑器件及电路能够根据外加光、电信号等操作指令，针对不同场景需求进行信息存储及功能切换，具有低延迟、低功耗等特性，是从硬件层面构建并行计算范式的基石，对于突破传统计算架构中存算分离导致的“存储墙”瓶颈具有重要意义。然而，在当前硅基技术路线中，并行功能模块的实现通常需要结合不同的逻辑区块并增加控制电路，致使区域冗余、难以降低功耗。
近日，复旦大学光电研究院刘陶课题组在Advanced Functional Materials上发表题为《Highly Reconfigurable Logic-In-Memory Operations in Tunable Gaussian Transistors for Multifunctional Image Processing》的论文，报道了一种基于二维双栅调控p-n异质结的可重构高斯晶体管，并采用介电层调控的方式实现了存内逻辑功能。博士生桑伟慧为第一作者，刘陶青年研究员为通讯作者。
该工作首先研究了单一栅极调控下晶体管的电荷输运性质及机理，其表现出典型的高斯型反双极性响应；随后，通过配置不同双栅电压探究高斯传输曲线的演变过程，阐明其具有高度可调性，并以此为基础，通过配置适当的栅压大小和极性，在单一晶体管中实现了一系列布尔逻辑运算功能，包括AND, OR, NAND, NOR, XOR和XNOR。此外，该工作以调控偏置电压作为操作指令，为逻辑功能的定向切换提供了更高自由度。与传统硅基逻辑门相比，该器件在电压工作模式下的晶体管功耗低至13%。基于此，该工作演示了可重构高斯晶体管在图像处理计算任务中的适用性，包括像素运算、图像比较、以及图像加密/解密。
图1. 二维双栅调控高斯晶体管转移特性。
图2. 可重构逻辑功能
在上述基础上，该工作利用富硅氮化硅介电衬底的高电荷捕获特性，实现了布尔逻辑门的原位存储。在该衬底上，高斯晶体管的双栅调控电输运曲线表现出明显的非易失存储特性。该工作展示了高斯晶体管在可重构存内逻辑方面应用的可行性，为并行计算架构的硬件实现提供了新思路。
图3. 高斯晶体管的可重构内存逻辑功能
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市扬帆、启明星计划等项目的资助与支持。
通讯作者简介：刘陶，复旦大学光电研究院青年研究员，国家海外优青、上海市领军人才（海外）、上海市科技启明星获得者。2021年8月入职，主要研究方向为二维物性调控及光电功能器件。以第一/通迅作者在Nat. Nanotech.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等知名期刊发表多篇论文。目前主持国家自然科学基金委、上海市科委等多项科研项目。
原文链接：Sang, W., Xiang, D., Cao, Y., Tan, F., Han, Z., Songlu, W., Zhou, P., Liu, T., Highly Reconfigurable Logic-In-Memory Operations in Tunable Gaussian Transistors for Multifunctional Image Processing. Adv. Funct. Mater. 2023, 2307675. https://doi.org/10.1002/adfm.202307675.
备注：目前团队因科研工作需要，正面向海内外招聘优秀博士后研究人员和科研助理，欢迎有意从事新型光电功能器件及物性探究的青年才俊加盟。
