关键词 二维材料; 异质结构; 二维半导体; 器件应用;

摘要 微电子在智能时代正迎来新一轮技术与产业的重大变革期.本文从智能时代的科学方法论、系统集成的工程技术路线和微电子摩尔定律(Moore’s law)的维度扩展3个层面导入,提出了网络极大化节点极小化的复杂巨系统构造、异构异质芯粒的晶上拼装集成、硬件资源的领域专用软硬件协同定义,形成了软件定义晶上系统的新发展范式,对微电子的设计方法、系统集成、应用开发、经济性指标等进行了内涵升级,可全面刷新信息基础设施的技术物理形态,贡献一条“晶圆级硅基直连”的系统集成工程技术路线,并有望打造出智能涌现的物理底座.

关键词 片上系统; 软件定义互连; 软件定义晶上系统; 异质异构; 热压键合; 软硬件协同; system on chip; SoC; software de ned interconnection; SDI; SDSoW; heterogeneous architecture; thermal compress bonding; TCB; hardware and software coordination

摘要 左移(shift-left)融合是电子设计自动化(electronic design automation, EDA)的一种新设计范式,旨在通过融合和并行解决传统瀑布式设计范式的问题.传统EDA流程分为多个串行设计阶段,导致设计周期长、设计冗余大.通过相邻设计阶段的融合与并行,可以有效缩短设计周期、提升设计优化效率.左移融合通常涉及在不同设计阶段之间共享数据模型,并采用新的抽象方法,可以应用到包括高层次综合、逻辑综合、布局布线、签核验证、工艺优化等EDA流程的各个阶段.此外,借助早期的数据分析与评估,可以有效应对后期可能出现的问题,从而降低开发成本.综上,鉴于左移融合对于提高EDA流程的效率和质量具有重要意义,本文将介绍左移融合的发展现状和关键科学问题,并展望未来发展路线.

关键词 电子设计自动化; 左移; 融合; 并行; 效率; EDA; shift-left; fusion; parallel; efficiency

摘要 影响高性能芯片的物理设计涉及多个关键因素,文章分析了其中主要的5个因素:标准单元库、核心IP库、布局布线、制造工艺、物理设计与EDA工具/Foundry的协作优化.通过对基本情况介绍,当前行业情况分析等,剖析了影响高性能芯片设计及制造的核心因素,对高性能芯片未来需要重点发展的方向提出了一些探讨思路.

关键词 高性能芯片; 物理设计; 集成电路IP核; EDA; 布局布线; high-performance chips; physical design; intellectual property core; place and route

摘要 过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必然路径.低温芯片技术,利用晶体管低温下电学性能的提升,可以进一步提高逻辑芯片的算力并降低动态和静态功耗,由于和现有集成电路技术兼容性较高,是低成本实现更高性能计算的理想技术路线之一.此外,随着量子计算技术的发展,可扩展的大规模量子芯片需要和极低温互补金属氧化物半导体CMOS电路以及存储芯片实现片上集成,进而实现更高效的数据处理.本文面向高性能计算应用,从器件表征、模型、仿真和设计、应用等多个层面,分析并总结了低温芯片技术领域的发展历程、理论基础和技术挑战,并给出针对性的解决方案和建议,有助于推动我国在低温芯片技术领域的持续发展.

关键词 低温芯片; 低温电子学; 低温PDK; 高性能计算; 量子计算; low-temperature CMOS circuit; low-temperature electronics; low-temperature PDK; high-performance computing; quantum computing

摘要 毫米波相控阵系统因其大带宽、高速率和多波束的优点,在移动通信和雷达感知系统中得到了广泛的应用.硅基毫米波集成电路设计是其中的关键核心技术.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的研讨成果,根据毫米波集成电路与集成系统研究方面的重大需求,针对硅基毫米波集成电路设计的关键挑战和科学问题,按照相控阵架构、关键电路和器件模型3个层级,总结梳理了国内外硅基毫米波集成电路设计领域近年来所取得的主要进展和成就,凝炼了该领域未来5～10年的重大关键科学问题,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 毫米波; 相控阵; 集成电路; 移动通信; 雷达感知; mm-Wave; phased array; integrated circuit; communication; radar

摘要 随着人工智能对算力(电力)需求的指数增长,高性能计算芯片对供电效率、密度提出了严苛的要求,高密度电源管理芯片成为制约算力发展的显著瓶颈,是高性能计算芯片的重要共性支撑.面对高算力芯片的供电功率、密度与效率的综合性巨大挑战,以及集成芯片系统的新供电场景,传统的分立供电架构、控制技术等亟待突破.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”关于集成电路未来发展及关键问题的广泛讨论,本文总结了电源管理芯片方向发展上的关键问题与挑战.本文从目前主流处理器的前沿供电技术的发展现状出发,讨论了高性能处理器供电技术的长期发展趋势,并给出未来关键技术的发展预测,从电源管理系统架构、控制技术、无源器件集成、封装形态等方面提出研究建议,为我国集成芯片高密度供电技术的发展提供重要的理论支撑.

关键词 电源管理芯片; DC-DC; 混合架构; 稳压电源; 3D集成芯片供电; power management IC; hybrid topology; voltage regulator; 3D power delivery for integrated chips

摘要 高性能模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)是电子信息系统的核心器件,是集成电路设计领域的研究热点与难点,是最复杂、难度最大的模拟集成电路.本文阐述了集成电路工艺演进给高性能模拟电路设计带来的共性挑战,并分别从纳米工艺下高速高精度、超高速低精度和高精度低延时等模数转换器系统架构与设计技术方面分析了高性能模数转换器面临的技术挑战与重要发展趋势.

关键词 模拟集成电路; 模数转换器; 高速高精度; 低延时; analog integrated circuit; analog-to-digital converter; high-speed-high-precision; low latency

摘要 智能信息化社会对算力的需求日益增长,高能效和高安全性的计算芯片已经成为支撑科技创新和社会进步不可或缺的基础设施.新兴计算范式作为提升算力的创新技术,近年来在理论和技术方面取得了重要突破,引起了学术界和工业界广泛关注.本文从电路设计方法、新型芯片架构以及脑启发算法等多个角度介绍和分析了新兴计算芯片的相关前沿技术,同时讨论了各项技术的阶段性特征以及所面临的设计挑战和安全可信挑战,最后展望了新兴计算芯片技术的未来发展,并阐述了其发展的重点方向.

关键词 新兴计算范式; 安全可信; 近似计算; 随机计算; 存内计算; 脑启发式计算; emerging computing paradigm; secure and trust; approximate computing; stochastic computing; in-memory computing; brain-inspired computing

摘要 集成电路是信息时代重要的技术基础,也是国家战略竞争力的重要标志.在全球范围内,集成电路技术正处于快速变革与创新的新时期.面向集成电路未来发展,需要针对先进器件及集成工艺、模拟与混合电路、电路设计方法、新型计算架构等方面开展前沿研究,加强规划布局,完善创新系统,推动我国集成电路产业在未来发展中占得先机.基于第347期“双清论坛(青年)”,本文总结了我国集成电路科学研究及产业发展面临的国家重大需求,研判分析了集成电路领域国内外的发展态势和关键问题,展望了该领域重大的前沿发展趋势,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略,以期助推我国集成电路技术高质量发展.

关键词 集成电路; 先进集成封装工艺; 模拟与射频电路; 电子设计自动化; 新型体系架构; integrated circuit; advanced integration and packaging; analog and radio-frequency circuit; electronic design automation; novel computer architecture

摘要 芯片与微电子系统是现代电子信息与智能技术的基础,芯片由集成电路(integrated circuits,IC)技术实现,而微电子系统则可由本文提出的集成系统(integrated systems, IS)技术实现.集成系统概念的提出参照了集成电路的思想,并基于以下4方面原因:首先,集成电路是手段,系统才是目的,单个集成电路往往不具备系统功能,需要与其他电路或元器件相结合才能构成系统.其次,标准硅基集成电路的摩尔定律已面临挑战.第三,微电子系统的前道芯片设计加工与后道封装集成逐步收敛.最后,目前的封装集成技术采取分立的实施步骤.集成系统研究如何将各种不同材料、不同工艺、不同结构的元器件、天线、集成电路芯片进行集成,实现所需功能和性能的微电子系统.集成系统的一个核心理念是能否像设计、加工集成电路一样设计、加工微电子系统.本文将介绍集成系统的背景、概念、特征、面临的挑战、需解决的关键科技问题,以及一些研究进展.

关键词 集成电路; 微电子系统; 电子封装; 集成系统; 异质异构集成; 体系架构; integrated circuits; microelectronic systems; electronic packaging; integrated systems; heterogeneous integration; system architecture

摘要 为解决传统集成电路面积大、功耗高等问题,采用纳米级忆阻器设计实现了数字逻辑电路中的加法器和乘法器.基于忆阻器MRL结构设计的OR门和AND门,设计了2T-4M结构的XOR和XNOR逻辑门.运用这些逻辑门与CMOS管混合实现了全加器,其中CMOS反相器增强了信号驱动.改进2T-4M结构实现了一种新型2T-4M逻辑模块,并基于此模块设计了2位二进制乘法器. LTspice仿真验证了电路设计的正确性.与已报道的MRL结构全加器和2位二进制乘法器进行比较发现全加器使用的元器件数量明显减少,延迟时间最少提高了53.3%,功耗最小降低了1.93 m W; 2位二进制乘法器的设计在元器件总体使用数量上也有一定的优势,总共只需要18个元器件.最后,利用全加器构成加密阵列电路,对图像进行了加解密操作,验证了电路在实际应用中的可行性.

关键词 忆阻器; CMOS; 全加器; 乘法器; 图像加密; memristor; CMOS; full adder; multiplier; image encryption;

摘要 车牌识别在智能交通和公共安全领域具有十分重要的意义.由于拍摄环境、拍摄设备等因素的影响,获取的车牌图像分辨率较低、图像模糊,影响了车牌识别的准确率.图像超分辨率和图像去噪技术可以改善图像质量,提高车牌图像的识别率.本文提出了基于忆阻器的受限玻尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)的全电路设计,并将其应用于车牌图像处理.忆阻RBM电路主要包含3个模块:隐单元生成模块、可见单元重构模块和隐单元再生模块.忆阻电路采用片上训练方式,提高了网络的训练效率,实现了实时的在线学习.最后,将基于忆阻器的RBM应用于车牌图像超分辨率和图像去噪,通过计算图像的结构相似性(structural similarity, SSIM)和峰值信噪比(peak signal to noise ratio, PSNR),并与传统的图像处理方法进行对比分析,验证了所提出的基于忆阻器的RBM在图像处理中的有效性和优越性.

关键词 忆阻器; 神经网络; 车牌图像处理; 受限玻尔兹曼机; 电路设计; memristor; neural network; license plate image processing; restricted Boltzmann machine; circuit design;

摘要 随着电流舵数模转换器(digital-to-analog converter, DAC)工作频率的提高,即使是数百飞秒的时序失配也会严重恶化高性能DAC的动态性能.在这一类DAC中,锁存驱动器模块直接控制电流源的开关切换,其时序直接影响电流舵DAC输出模拟信号的码间过渡动态特性.电流舵DAC锁存驱动器时序失配的主要来源,包括时钟网络延时失配、开关驱动晶体管的梯度失配和随机失配.一方面,在传统时钟网络中,不同位置节点间的失配是时钟网络延时失配的重要来源;另一方面,增加开关驱动晶体管尺寸可减少随机失配造成的延时偏差,但增加梯度失配造成的延时偏差.为了减小锁存驱动器时序失配提升DAC动态性能,本文提出了一种通过改变时钟网络连接方式减小时钟延时失配的方法,以及一种综合考虑梯度失配与随机失配的联合设计方法.为了验证所提方法的有效性,在65 nm工艺下设计了一个14b精度的DAC,流片测试结果表明在1 GS/s采样率、430 MHz信号带宽内,实测的无杂散动态范围(spurious-free dynamic range, SFDR)大于70 dB.与相同工艺下设计但并未采用本文所提出的时序优化方法的DAC测试结果对比表明,本文提出的时序优化方法以功耗从106 mW提升到160 mW为代价,将SFDR大于70 dB的信号带宽从210 MHz提升到430 MHz.

关键词 时序失配; 数模转换器(DAC); 时钟网络; 梯度失配; 随机失配; 无杂散动态范围(SFDR); timing mismatch; digital-to-analog converter(DAC); clock network; gradient mismatch; random mismatch; spurious-free dynamic range(SFDR);

摘要 人工智能与物联网时代,大数据模型驱动的应用场景和计算任务层出不穷,极大促进了国家数字化发展.然而,传统冯·诺依曼(John von Neumann)体系架构的硬件系统由于存算分离的结构特点导致存储墙瓶颈,在数据密集型应用中消耗了大量的数据搬运成本,抑制了能效性能提升.存算一体技术是后摩尔(Moore)时代背离传统架构系统的新型计算范式,利用存储单元器件、电路内在特性,将基本的计算逻辑任务融入存储单元之中,从而消除数据搬运开销,有望实现智能计算硬件平台能效性能的显著提升.本文以契合存算一体技术的存储器件电路为切入点,概述基于传统互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)和新型非易失存储器件代表铁电晶体管的存算一体电路,并从器件、架构芯片、算法应用等层次讨论存算一体电路的跨层次协同设计优化方法.

关键词 存内计算; 静态随机访问存储器; 铁电晶体管; 交叉阵列; 内容寻址存储器; computing-in-memory; static random access memory; ferroelectric field effect transistor; crossbar; content addressable memory;

摘要 如今,随着数据需求的增长以及硬件算力性能的提升,人工智能得到越来越广泛的应用.其中,神经网络算法已经被成功地用于解决一些实际问题,例如人脸识别、自动驾驶等.尽管这些算法有着卓越的表现,但其在传统硬件平台上的计算性能仍然不够高效.因而,一些为神经网络算法定制的计算平台应运而生.本文将总结一些典型的神经网络加速器架构设计,包括计算单元、数据流控制、所加速的不同神经网络的特点,以及在新兴计算平台上设计加速器的考量等.最后我们也将提出对神经网络加速器未来的展望.

关键词 人工智能; 神经网络; 体系结构; 加速器; artificial intelligence; neural network; architecture; accelerator;

摘要 针对电子器件向更高功率和更高集成度发展所导致日益严重的散热问题,本文设计了轮辐式微通道散热器.基于轮辐式微通道具有良好分流特性提出了多阶微通道的特色设计,拓展了辐射微通道的设计思路;通过研究发现微通道的对流换热面积、流固占空比与流道布局协同耦合强化冷却能力,而这3项的改变是无法实现单一项的变化,这就更加增大了三者之间的耦合因子.为了兼顾散热器的冷却能力与压降,进一步提出功能化四出口的设计,系统性提高了散热器的冷却能力并降低散热器的压降.采用有限元仿真结合理论方法系统性解析了不同微通道散热器的热阻分布比例,为进一步提高冷却能力指明方向.通过微加工工艺制备出轮辐式多阶微通道散热器,最后通过实验测试验证不同设计的冷却能力,高达932.08 W/cm~2,为替代传统水冷冷板散热系统奠定基础.

关键词 轮辐式多阶微通道; 功能化出口; 超强冷却技术; 协同强化冷却能力; rotor-wing multi-order microchannel; functional outlet; super cooling technology; collaborative cooling capability

关键词 技术与应用; SSVEP; 神经电极;

摘要 海洋传感器技术在海洋军事作战领域发挥着重要的作用,随着人类探索海洋的未知领域,海洋传感器技术逐渐发展,但现阶段发展不完全,主要依赖进口,国产化率低.海水的温度、盐度、深度(温盐深)是海洋环境测量的基本参数,目前国内温盐深三参数传感器体积大、设备复杂、集成度低,难以满足实时在线检测的需求.本文基于微机电系统(MEMS)技术,制备了一批用于海洋温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器,其中温度测量采用PT8000铂电阻传感器,盐度测量采用四电极法电导率传感器,深度测量采用压阻式压力传感器,通过离子注入工艺控制掺杂浓度形成压力敏感电阻,硅片下表面经过湿法腐蚀工艺形成压力形变所需的空间,最后键合硅片和玻璃制备出压力传感器,三参数传感器的制备工艺全兼容,具有较高的批量一致性.对于压力传感器,利用COMSOL仿真软件确定合适的传感器参数,得到0～10 MPa下的宽范围量程,以满足1000 m水深检测的需求.利用嵌入式系统原理开发了针对制备的温盐深传感器的采样和读出电路,其中温度传感器的电阻为8231±100?,灵敏度为32.101?/?C,测量准确度达到±0.01?C;电导率传感器的电导池参数为2.594 cm-1,测量准确度为±0.05 m S/cm,与温度传感器联合测量消除了温度对电导率的影响;压力传感器的压敏区域构成了惠斯通(Wheatstone)电桥模型,消除了温度对压敏电阻的影响,采用矩形形变膜片,提高了压力线性度,传感器的测量准确度达到0.01 MPa,非线性误差为0.366%,重复性误差为0.376%,迟滞性误差为0.188%.结果表明,本文制备的温盐深传感器精度高、尺寸小、集成度高、可批量制造,适用于海洋温盐深参数精确定点测量的需求.

关键词 海洋传感器; 温盐深; 微纳集成制造; 高精度测量; ocean sensor; temperature-salt-depth; micro-nano integrated manufacturing; high precision measurement;

摘要 原子级厚度的二维层状晶体材料具有丰富的物理特性,在新型微纳米器件领域展现出重要的发展潜力,相关的器件制备和性能研究也引起了广泛的关注.二维材料微纳米器件的制备需要经过二维材料的转移及金属电极的淀积等一系列过程.然而,在传统的制备流程中所涉及多步工艺需要用到诸多不同设备,如二维材料转移对准系统、电子束曝光系统,或是光刻系统,而且往往在一些步骤中涉及有机溶液处理,有可能会对样品带来一些不利的影响.本文设计展示了一种能够实现二维材料微纳米器件制备的多功能系统,该系统不仅可以实现二维材料的高效转移,而且可以直接进行金属电极的准确淀积,并且整个加工流程不涉及溶液处理,具有操作方便、效率高、样品污染少等优点.基于该多功能系统,我们成功制备出了MoS_2场效应晶体管并对器件进行了光学表征和电学性能测试,展现了这一系统在高效制备微纳器件方面的潜力.

关键词 二维晶体材料; 多功能制备系统; 材料干法转移; 金属电极淀积; MoS_2场效应晶体管; two dimensional(2D) materials; multifunctional fabrication system; dry transfer; metal electrode deposition; MoS_2 transistor;

摘要 本文统计了58款不同结构和不同材料的RRAM器件结构和电学特性参数,根据参数之间的联系建立了器件特性参数的计算模型,用统计学的百分位法计算了器件数据的差异性,获得了RRAM器件参数的定量指标.根据计算结果,我们发现RRAM器件的写时间、擦时间、写能量和数据维持时间均未达到预期指标, ECM器件低阻态时有量子力学效应,而VCM器件则没有量子力学效应. RRAM器件还需要进一步发展才能取代Flash技术.就发展趋势而言, ECM和VCM器件与NOR flash的差距最小,最可能取代NOR flash.

关键词 阻变存储器件; 参数计算模型; 百分位方法; 统计指标; resistive memory devices; parameter calculation model; percentile method; statistical indicators

摘要 人工智能时代对计算芯片的算力和能效都提出了极高要求.存算一体芯片技术被认为是有望解决处理器芯片“存储墙”瓶颈,大幅提升人工智能算力能效和算力密度的关键技术和重要解决方案.SRAM存算一体芯片技术由于其在兼容性、鲁棒性、灵活性等方面的优势,已经得到多个旗舰公司的认可和相关领域的产业布局.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的讨论内容,回顾SRAM存算一体芯片领域近年来的研究现状和发展趋势,分析并总结了该领域未来的研究需求,凝练关键科学问题并进一步探讨前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 人工智能; 存算一体; SRAM存算; 科学问题; artificial intelligence; compute-in-memory; SRAM-based CIM; scientific topics

摘要 冯·诺依曼计算架构本质上面临“存储墙”和“功耗墙”瓶颈,近年来摩尔定律的放缓进一步加剧了上述瓶颈.新型存算一体芯片技术通过器件–架构–电路–工艺的协同创新,将数据存储与计算融合一体化,大幅降低数据搬运及其开销,被视为后摩尔时代突破冯·诺依曼架构瓶颈的重要技术方向之一.同时,存算一体芯片通过大规模并行运算方式实现高算力,在一定程度上可以缓解工艺微缩压力,对我国在新一轮人工智能革命中突破算力困境,具有重要的战略意义与应用价值.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”,本文介绍存算一体芯片领域当前的研究现状,分析了存算一体芯片技术对我国的重要战略意义,展望了未来亟待解决的关键科学问题与技术挑战,并进一步给出了该领域的发展趋势和建议.

关键词 存内计算; 近存计算; 异构集成; 异构架构; in-memory computing; near-memory computing; heterogeneous integration; heterogeneous architecture

摘要 嗅觉研究在环境监测、灾害预警等领域的重要性凸显,联想记忆是生物大脑处理信息的机制,探索嗅觉感知及其跨模态联想对于扩展类脑感知在机器人技术上的应用和发展十分必要.本文基于忆阻设计了嗅觉感知与跨模态联想电路,模拟了嗅觉的基本功能及其情感、记忆效应,主要包括3个模块:气味识别模块以忆阻嗅觉神经元为基础实现对两种气味的识别;高级感知模块搭建情感产生电路生成嗅觉情感,并利用忆阻阻值变化实现对其他模态记忆巩固的影响;延时跨模态联想模块基于忆阻变化规律设计延时电路和联想记忆电路,以情感为强化物实现了嗅觉与其他模态信息的延时联想.最后设计4种情景进行实验,仿真结果表明该电路可以实现嗅觉的感知功能和与其他模态信息的跨模态联想,为机器人嗅觉感知提升提供了可能.

关键词 忆阻; 嗅觉感知; 情感; 联想记忆; 跨模态信息关联; memristor; olfactory perception; emotion; associative memory; different modal information correlations

摘要 矩阵行列式的求解在工程应用中具有重要的意义并得到了广泛的应用,如何高效快速地求解矩阵行列式成为物联网大数据时代的迫切需求.为此,本文提出了一种基于忆阻器的可编程模拟电路,可一步完成任意阶行列式的计算.首先,本工作给出了二阶行列式和三阶行列式的计算电路.在此基础上,通过组合电路的方式得到任意阶数行列式求解电路.同时,该电路还可以通过调节忆阻器的电导和输入电压源来实现可编程的功能. PSPICE的仿真结果表明,该电路的精度在99.4%以上,运行时间比MATLAB仿真快3个数量级,即便在10.0%的误差干扰的情况下,其精度仍能超过93%.相比于数字处理器,该电路在面积开销与功耗上具有显著优势.最后,该电路可通过各个卫星的余弦参数来计算多卫星构成的空间矩阵行列式以辅助定位卫星组合的选择,其计算结果的平均精度可达99.7%.

关键词 忆阻器; 电路设计; 可编程; 行列式; 卫星定位; memristors; circuit design; programmable; determinant; satellite positioning;

摘要 针对武器装备、航空航天等领域高温封装需求,提出一种耐高温微系统气密封装技术.选用氮化铝直接电镀陶瓷基板(direct plated ceramic substrate, DPC)作为封装散热基板,可伐(Kovar)合金作为封装盖板,金锡合金(Au_(80)Sn_(20))作为焊接材料实现气密封装,并通过有限元模拟优化了最小焊接应力下的焊环厚度.根据设计方案制备了集成热敏电阻和微型加速度计的微系统器件.测试结果表明,微系统封装样品焊接质量良好,界面无孔隙和裂纹.将封装后的微系统在200℃下老化1000 h,测试其老化前后的气密性和芯片电性能.结果表明,老化后微系统仍具有较高气密性,封装漏率达到10~(-9)Pa·m~3/s量级,热敏电阻及微型加速度计电信号正常.实验证明该耐高温微系统气密封装技术可满足高温应用可靠性需求,有望应用于航空航天及军工领域.

关键词 高温封装; 微系统; 气密封装; 直接电镀陶瓷基板(DPC); 金锡焊片; 可靠性; high-temperature packaging; microsystem; hermetic packaging; direct plated ceramic substrate (DPC); Au-Sn; reliability;

摘要 基于新型非易失性存储器和存内计算架构的神经网络推理芯片在功耗、速度和存储密度等方面展现出突出的优势,使其在物联网和边缘计算等应用领域受到广泛关注.在本文中,我们详细介绍了一款基于可编程线性忆阻器(programmable linear random-access memory, PLRAM)的存算一体化片上系统芯片的设计和实现方法.为了在资源受限条件下实现高效的推理计算,该系统结合了器件、电路和系统层面的一系列新技术,包括具备每单元7比特存储能力的新器件、数据自适应写入、电路失配补偿,以及基于残差模型训练的模型部署技术.这些新技术帮助该系统实现优越的整体性能,使其具有紧凑的外观尺寸,超过10 TOPS/W的能效和接近95%的计算精度,并被成功应用于一款低功耗、低成本的语音多关键词识别产品.

关键词 存算一体化; 片上系统; 改进型浮栅晶体管; 可编程线性忆阻器; 模型部署技术; in-memory computing; system-on-chip; modified floating gate transistor; PLRAM; model deployment techniques;

摘要 竞技体育是国家体育发展水平的核心竞争力.现代竞技体育训练追求运动成绩不断提高,高水平运动员越来越依赖科学定制的个性化训练规划.随着柔性电子、多功能器件集成、人工智能等技术不断进步,运动传感器逐渐向智能化、多元化、微型化、柔性可穿戴化发展,可以对运动员训练过程产生的信号进行全方位、多角度、多层次采集,通过构建高水平运动员运动数据库,运用大数据分析,实时监控运动员的各项生理指标,预测运动员训练存在的风险,进行合理规避运动损伤,为运动员以及教练团队提供科学化的训练方案.本文从运动员训练中对各种体征信号采集、分析的需求出发,综述了近些年来柔性电子、光电可穿戴传感器的最新研究进展,介绍了不同种类的运动信号检测方法,包括电生理信号监测、电化学传感监测、光电容积描记法监测等,为我国运动员与体育工作者提供最新、最前沿的可穿戴传感器技术总结,为制定更为精准、可量化的科学训练方法与理论提供知识与技术支持,推动我国体育强国建设.

关键词 竞技训练辅助; 可穿戴传感器; 生理信号; 运动监测与评估; athletic training assistant; wearable sensor; physiological signals; kineses monitoring and evaluation;

摘要 集成电路适应于新型应用及超越 Si-CMOS微缩的需求使半导体技术发展面临巨大挑战. 学术界和工业界认识到二维 (2D) 层状材料独特的二维结构及其新颖的光、电、磁以及量子等效应有望解决半导体集成电路信息技术发展面临的一些问题. 二维材料是融合当前硅基 CMOS 技术路线的关键材料之一, 也被美国白宫列为 2024年《国家微电子研究战略》中的新兴材料首项. SCIENCE CHINA Information Sciences 在 2019, 2021, 2023 年连续组织出版了 3 期 “新型二维材料与器件应用专题”, 得到了广大读者的高度肯定和广泛引用. 为了促进我国半导体材料与器件研究水平的提升, 支撑我国在后摩尔时代的科技创新, 面向信息技术自主发展的国家重大战略需求, 国家自然科学基金委员会于 2021 年开始立项资助了 “硅基二维半导体材料与器件” 重大项目计划, 执行期 5 年. 该重大项目以兼容于硅基技术的二维半导体材料基础问题为核心, 旨在发展能够融合于成熟硅基 CMOS 技术的二维半导体材料的可控制备、新型存储器件、逻辑器件、感存算一体器件和光电集成器件, 突破硅基信息器件性能瓶颈, 扩展硅基信息器件的功能. SCIENCE CHINA Information Sciences 在 2024 年 67 卷第 6 期组织出版了 “二维材料融合硅基技术专题” (Special Topic: Silicon-compatible 2D Materials Technologies), 介绍该重大项目的部分成果.

摘要 量子生成对抗网络(quantum generative adversarial networks, QGAN)在图像处理、金融分析等领域应用中展现出了优越的性能.本文首次提出了一种基于量子生成对抗网络的量子拓扑码解码器,并应用于优化容错量子隐形传态系统.在本文中,首先构建并测试了QGAN算法的量子线路,搭建了拓扑码解码器训练模型.其次,针对拓扑码本征值数据集,设计了算法的输入输出,并训练得到高效率的解码模型.最后,构建了带有QGAN解码器的拓扑码优化量子隐形传态系统,相较于原始系统展现出更好的容错性能.在码距d=3及d=5的解码实验表明,本模型纠错成功率可以达到99.887%.在实验中,本QGAN解码器的保真度阈值约为P=0.1706,相较经典解码模型阈值约为P=0.1099,有了明显提升.另外,量子隐形传态系统在d=3拓扑码优化抗噪下,在非极化噪声阈值P<0.0607范围内具有明显的保真度提升;在d=5拓扑码优化抗噪下,在非极化噪声阈值P<0.0778范围内具有明显的保真度提升.本文提出的QGAN解码模型,结合了量子隐形传态方法,为量子深度学习的应用提供了新思路,并可应用于其他非均匀噪声处理领域.

关键词 量子生成对抗网络; 拓扑码; 解码器; 非极化噪声; 量子隐形传态; 保真度; QGAN; topological code; decoder; depolarizing noise; quantum teleportation; fidelity

摘要 近年来,量子计算受到国内外越来越广泛的关注,美国、欧洲、日本和澳大利亚等国都投入了大量资金,量子计算应用研究成果开始涌现.在众多的量子计算物理系统中,半导体量子计算因具有与现有集成电路工艺兼容及可扩展、可集成的优点而备受重视.本文在介绍国内外半导体量子计算研究进展的基础上,探讨半导体量子计算发展中面临的关键科学技术难题,以及未来半导体量子计算规模化、集成化、产线化的发展趋势.

关键词 硅; 锗; 量子点; 量子比特; 量子计算; silicon; germanium; quantum dot; quantum bit; quantum computing

关键词 量子信息;

摘要 光量子信息技术通过使用光子承载量子信息,在量子通信、量子精密测量、线性光量子计算中发挥着重要作用.近年来,非平衡光纤干涉仪被广泛应用于光量子比特信息的制备、操控和测量过程中.然而,基于光纤器件的非平衡光纤干涉仪容易受到环境温度、应力等物理量变化的扰动,使得其使用过程需要反馈控制的配合.现有反馈控制装置常使用一束参考激光结合光电探测来实现,容易在光量子比特信息中引入额外噪声.因此,本文面向光量子信息应用,验证了一种基于弱相干参考光结合单光子探测计数的反馈控制方案.在理论分析基础上,我们实现了对臂长差约为1 m的非平衡光纤迈克尔逊干涉仪(fiber Michelson interferometer)的反馈控制,相位抖动小于0.042弧度,并在该干涉仪中测量到单光子干涉的条纹可见度大于99%.

关键词 非平衡光纤干涉仪; 反馈控制; 弱相干光; 光子计数; unbalanced fiber interferometer; feedback control; weak coherent light; photon counting;

摘要 量子纠错与量子计算是量子信息科学坚实的基础和重要的组成部分.在实际应用中,如大气传输中的量子通信,将需要多种数学运算,其中包括量子纠错码.量子纠错码可以抵抗噪声,但由于构造量子纠错码依赖于量子纠缠,因此被认为是困难的.利用图态解决码字纠缠度是一个很有前途的解决方案,但高维图态构造起来仍有诸多困难,上述困难可以巧妙地通过码字纠缠的上界和下界来解决.本文根据稳定子码循环差集的特性和经典低密度奇偶校验(low-density parity check, LDPC)码的U和B组合,构造了高维量子低密度奇偶校验(quantum low-density parity check, QLDPC)码.通过计算新码元的非Z型生成元并求出其最小数目得到新码元的纠缠上界;再计算新码校验矩阵的秩作为纠缠下界.当码字纠缠上界和下界不同时,利用机器学习中的学习向量量化(learning vector quantization,LVQ)算法可同时求得码字纠缠度和编码复杂度,以此推得它们之间的关系.在计算运行速度方面,对比拉格朗日乘数法中的迭代算法, LVQ算法运行速度提高了37.68%,而且在稳定性和精度方面, LVQ算法的性能优于拉格朗日乘数法中的迭代算法.本文在量子码字纠缠度的测量中迈出了重要的一步,为设计具有更高译码效率的量子纠错码提供了帮助.

关键词 量子低密度奇偶校验码; 稳定子码循环差集; U和B组合; 码字纠缠度; 学习向量量化; quantum low-density parity codes; cyclic difference set of stabilizer codes; combination of U and B; codewords entanglement measurement; learning vector quantization;

摘要 本文提出并实现了一种利用超宽带光探测器进行光子混频的太赫兹噪声发生器.通过改进外延结构和电极结构,首次在国内实现3 d B带宽超过200 GHz的单行载流子光电探测器(uni-travelingcarrier photodiode, UTC-PD).封装后的UTC-PD模块可在140～220 GHz频段内实现平坦的太赫兹波输出.利用该探测器模块作为光混频器制作了光子噪声发生器,产生了频率范围为140～220 GHz,超噪比(excess noise ratio, ENR)大于35 dB,平坦度小于±4.6 dB的太赫兹噪声,并且可以通过调节输入光功率实现超噪比的调谐.

关键词 噪声发生器; 太赫兹噪声; 光子混频; 单行载流子光电探测器; 光电转换; noise generator; terahertz noise; photo-mixing; uni-traveling-carrier photodiode; opto-electrical conversion

摘要 光刻机是集成电路制造中最为核心的高端装备,在60余年的发展历程中不断挑战人类超精密制造装备的极限,推动着摩尔定律的持续向前和信息时代的飞速发展,对于科技进步、国民经济、国家安全具有极为重要的战略意义.本文阐述了光刻机在集成电路制造装备中的核心地位,介绍了光刻的基本原理,梳理了国际上光刻机从20世纪60年代至今的发展脉络,围绕光刻机三大核心部件分析了光刻机中的关键技术及面临的极限技术挑战.在此基础上,本文展望了未来光刻机的发展趋势和未来方向.

关键词 集成电路; 光刻机; 关键技术; 发展前沿; 未来挑战; integrated circuit; IC; lithography machine; key technology; development frontier; future challenge

摘要 电注入半导体激光器相较于其他类型激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长等优势,近年来在显示、材料加工、医疗、通讯等领域的市场占有份额日益增长.激光器的模式特性直接影响激光器的输出性能,如功率、光束质量、光谱线宽等通过引入人工微结构,结合宇称时间对称、连续谱束缚态以及多模腔杂化调控手段,不仅可以拓展半导体激光器的物理研究范畴,同时有效优化激光器的性能,进一步增加了半导体激光器的多元应用场景.本文从模式调控的角度出发,对电注入下的人工微结构半导体激光器展开综述,包括国内外研究发展现状、物理原理以及相应的应用,最后进行了总结与展望.

关键词 宇称时间对称; 非厄米拓扑; 连续谱束缚态; 复合腔; 激光器; parity-time symmetry; non-Hermitian topology; bound states in the continuum; compound cavity; laser;

摘要 外腔型半导体激光器具有低噪声、高边模抑制比、高温度稳定性、结构简单、成本低等优势,已成为实现宽调谐和窄线宽特性的优选方案,被广泛应用于光通信、激光雷达、环境监测、光谱分析、光学相干断层扫描等前沿领域.本文详细介绍了宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器的技术方案和发展现状.按照不同的结构分类,深入分析其结构、工作原理及性能特点,讨论近年来国际前沿研究方案的结构特点、关键技术、光学性能和应用领域.最后,对宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器面临的挑战和潜在的发展前景作出分析和展望.

关键词 宽调谐; 窄线宽; 外腔半导体激光器; 半导体激光器; Littrow; Littman; wide tuning; narrow linewidth; external-cavity diode laser; semiconductor laser; Littrow; Littman;