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我国学者在二值化神经网络宏级存内计算芯片设计领域取得进展
近年来，非易失性存内计算（nvCIM）作为一种新兴的体系架构，为在资源有限的边缘系统中处理数据密集型的人工智能（AI）任务提供了可能。基于阻变存储器（RRAM）的存内计算技术是实现nvCIM的有力竞争者。
通过将神经网络中的权重矩阵部署到RRAM交叉阵列上，利用欧姆定律和基尔霍夫定律加速矩阵向量乘法计算，可显著降低数据在计算和存储单元之间的搬运，从而增加系统的推理速度和能效。但现有的nvCIM架构在匹配边缘AI系统方面还存在一些挑战：软件方面，由于传统深度学习算法所需的精度高，导致存储和计算成本的提升；硬件方面，模数转换器（ADC）和灵敏放大器（SA）等外围电路的使用大幅增加了芯片的面积和功耗。
针对这些问题，微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队开发了一款面向二值神经网络（BNN）的数字型RRAM宏级存内计算芯片（3T2R-Macro）（图1a）。通过使用分压原理映射二值神经网络权重矩阵，利用反相器将乘加计算结果量化为稳定的电压输出。该设计省去了外围ADC或SA，有效减少了芯片面积、能耗和延迟，提高了对噪声的鲁棒性。
团队还利用软—硬件协同设计方法，通过调节反相器供电电压，实现了3T2R-Macro片上二值卷积神经网络模型中批量归一化（Batch Normalization）和激活函数（Activation）计算。该3T2R-Macro设计在CIFAR-10和MNIST数据集上分别实现了86.2%和95.6%的识别率。180 nm工艺节点仿真结果表明芯片最小计算延时为8 ns，峰值能效为51.3 TOPS/W。相较于已报道的基于电流累积型模拟nvCIM设计，3T2R-Macro节省了10%的芯片面积和30%乘加计算能耗，提升了20%系统鲁棒性。这一研究结果为在资源有限的边缘系统部署AI任务提供了一种高效的解决方案。
出版信息
标题:
An ADC-Less RRAM-Based Computing-in-Memory Macro With Binary CNN for Efficient Edge AI
出版信息:
IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs ，02 January 2023
DOI:
10.1109/TCSII.2022.3233396
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金刚石助力先进封装芯片散热新策略
由于硅的低成本、大尺寸、高纯度、易加工、安全无毒等特点，让其成功取代锗成为现今半导体材料的半壁江山。同时，以硅材料为基础发展起来的新型材料，包括：绝缘层上的硅、锗硅、多孔硅、微晶硅以及以硅基异质外延化合物半导体材料等，在不同领域也极具应用价值。
但随着现代科学与技术的发展，硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，已经无法满足一些超高规格电子产品的苛刻条件，特别是针对射频芯片、功率器件在高频、高压、高功率的需求上，硅材料性能的限制尤为突出 。因此，面临来自GaN，Ga2O3，SiC等为代表的新一代半导体材料的激烈竞争，伴随着一系列新兴技术正迅速崛起，关键材料及应用技术的突破将成为全球半导体产业新的战略高地。同时，随着芯片制程的不断缩小，关键工艺难度越来越大，进度越来越缓慢。相关装备的换代以及流片的成本问题也不得不考虑。
如今，先进的封装工艺更被看作是为摩尔定律“续命”的最优解，也将提到芯片制造前端工艺甚至整个生产环节中去。而采用先进的封装技术将进一步缩短互连互通距离，提高集成度，具有封装体积小，互连线短，信号传输快，寄生电容和电感低，功耗低，可靠性和稳定性高等诸多优点。其中，为了满足高速计算、高密度存储器、低功耗、低封装外形的要求，3D堆叠技术将作为超越摩尔定律的重要研究和应用方向。
未来，无论针对何种材料、工艺或封装技术，电子设备高密度、高功率和高性能的趋势是不可逆转的。因此需要开发先进的散热技术，寻找合适的导热材料，为了保证热沉的正常工作、良好性能和使用寿命，必须考虑如导热系数、热膨胀系数、介电常数、电阻率、可金属化和机械可加工性等相关的物理化学性能。另外，对高导热材料的形状尺寸加工也有较高的要求，表面必须具有很高的平整度，以利于和热源器件良好的结合性能和保持热量传递通道畅通；厚度必须均匀，使得热量的耗散均匀而稳定。还需要具有较低的密度，可以在提高导热材料的导热系数的同时进一步减轻结构体积和重量。目前最具有潜力的轻质、高效、长寿命的高导热材料为碳基材料，主要包括碳/碳复合材料、石墨、石墨烯及金刚石薄膜材料。
金刚石密度小，热质比为0.686，大大超越了传统导热材料，能满足小型化和轻量化设计的要求；金刚石的化学稳定性高，不与一般物质发生化学反应，无毒无污染，是目前最为理想的大功率器件用散热材料。因此，近年来金刚石生长和加工技术的快速发展重新引起了人们对在半导体器件和电子封装中使用金刚石的兴趣。基于超高导热金刚石材料及其换热结构进行散热应用将成为未来重要发展方向，特别是在国外面向高功率密度器件的近结高效散热领域，金刚石被视为是解决“热病”问题的最佳“良药”。基于金刚石衬底转移、生长、异质外延、多相微流控等相关技术已成重要战略研究方向被越来越多的开发在高功率半导体器件的热管理集成中。从匹配关键材料到先进制造工艺再结合先进封装，满足高性能、高效率的同时实现高效散热，这也是先进半导体器件的最终发展目标。
出版信息
标题:
Mechanical properties and microstructure of large-area diamond/silicon bonds formed by pressure-assisted silver sintering for thermal management
出版信息:
Materials Today Communications，March 2023
DOI:
10.1016/j.mtcomm.2022.105230
转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号
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