祝贺：本课题组参与的研究工作入选《Chip》期刊与“Future | 远见”公众号联合评选的“Chip 2022年度中国十大芯片研究进展"

2023-03-25

「Chip 2022年度中国十大芯片研究进展（Chip10 - C22）」评选投票开始啦！

科技兴国的 FUTURE远见 2023-03-17 16:00 发表于上海

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FUTURE | 远见


FUTURE | 远见 闵青云 选编

过去一年，全球继续深陷「芯片荒」，国际芯片技术壁垒不断抬高，我国芯片产业发展的外部环境日趋严峻复杂。党的二十大报告提出：「以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。」国内芯片技术的突破，不仅承载着我国打破西方科技霸权和突破芯片产业技术瓶颈的双重使命，也承载着以基础研究赋能百业、以先进科技支撑产业升级的希望。
有鉴于此，上海交通大学-爱思维尔Chip期刊编辑部发起「Chip 2022年度中国十大芯片研究进展（Chip10 - C22）」评选活动，旨在梳理、盘点我国芯片科研领域2022年度标志性进展，致敬和激励我国广大芯片科研工作者的科学热情和奉献精神，提升我国前沿芯片科研的大众关注度，助力「中国芯」发展。

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投票日期：2023年3月17日至3月24日


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与您一起发掘2022年度优秀「中国芯」科研进展


Chip10 - C22备选条目如下

（排名不分先后，备选进展详情请看下文，30选10）




备选研究进展详情：

1 亚1纳米栅极长度晶体管的首次实现

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清华大学任天令和田禾团队利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，通过石墨烯侧向电场控制垂直的二硫化钼沟道的开关，使等效的物理栅长度降为0.34纳米，然后通过在石墨烯表面沉积金属铝并使其自然氧化，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。此后，科研人员使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼作为沟道，最终完成了具有亚1纳米栅极长度的晶体管。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04323-3

2 基于三维阻变存储器存内计算宏芯片

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中国科学院微电子研究所刘明团队研发了基于三维阻变存储器存内计算宏芯片。科研人员将多值自选通（Multi-level self-selective，MLSS）三维垂直阻变存储器与抗漂移多位模拟输入权值乘（ADINWM）方案相结合，实现了高密度计算；在抗漂移多位模拟输入权值乘方案基础上提出了电流幅值离散整形（CADS）电路用于增加读出电流的感知容限（SM）用于后续精确的模拟乘法计算，解决了由于三维阻变存储器阵列单元电导波动引起的在传统并行字线输入原位乘累加方案下不可恢复的读出电流失真；采用nA级操作电流的三维垂直阻变存储器阵列降低系统功耗，同时引入具有栅预充电开关跟随器（GPSF）的模拟乘法器与直接小电流模数转换器降低延时。当输入、权重和输出数据分别为8位、9位和22位时，位密度为58.2 bit μm⁻²，能效为8.32 TOPS W⁻¹。与传统方法相比，本工作提供了更准确的大脑MRI边缘检测和更高的CIFAR-10数据集推理精度。 该成果发表于《自然∙电子》（Nature Electronics）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00795-x

3 玻色子奇异金属的首次发现和证实

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电子科技大学李言荣团队与美国布朗大学James M. Valles Jr，中国科学院院士、北京大学谢心澄、王健，北京师范大学刘海文和四川大学的专家等，成功突破了费米子体系的限制，首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y

4 超高热导率半导体-砷化硼载流子迁移率的精准测定

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国家纳米科学中心刘新风团队联合休斯顿大学包吉明团队和任志锋团队首次测定超高热导率半导体-砷化硼的载流子迁移率。立方砷化硼高的载流子和热载流子迁移速率，以及其超高的热导率，表明其可以广泛应用在光电器件、电子元件中。该研究工作理清了理论和实验之间存在的巨大差异的具体原因，为该材料的应用指明了方向。该成果发表表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4727

5 忆阻器玻色采样的量子优越性

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上海交通大学金贤敏团队提出了一种受「忆阻器」机制所启发的新型玻色采样方案，称之为「忆阻器玻色采样」(membosonsampling)。通过循环结构，使得相同时间块内以及不同时间块间的量子干涉效应可以分别独立的记录和分析。每一个时间块都包含了n个光子及m个模式，通过多次的时间复用，实验的光子数和模式数随重复次数N线性增长。该方案成功将随机散射玻色采样（scattershot bosonsampling）与时间自由度融合，增加了总体的计算复杂度。从原理上来说，问题的规模可以拓展到无限大。该成果发于《芯片》（Chip）杂志上。

成果原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472322000053

6 双层二硫化钼在蓝宝石上的均匀成核与外延生长

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东南大学王金兰团队与南京大学王欣然团队，提出了利用外延衬底高原子台阶（~1.4 nm）实现双层MoS₂边缘对齐成核的新机制。基于新机制，研究团队利用高温退火工艺，在蓝宝石表面上获得了均匀分布的高原子台阶，成功获得了超过99%的双层MoS₂形核，并实现了厘米级的双层MoS₂连续薄膜的可控生长。进一步地，制造了双层MoS₂沟道的场效应晶体管器件阵列，该器件均一性得到了大幅度提升。该研究工作不仅突破了大面积均匀双层MoS₂的层数可控外延生长技术瓶颈，实现了最高性能的MoS₂晶体管器件，而且所提出的层数可控生长新机制有望进一步拓展至其它二维材料体系的外延生长。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04523-5

7 基于存算一体的混合预编码

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清华大学钱鹤、吴华强团队， MemInsights Technology Inc. 以及中国移动研究院合作，首次实现了面向5G/6G MIMO 通信系统的基于存算一体的混合预编码。为了实现大规模MIMO混合预编码所需要的大规模矩阵乘，该工作首次实现了128K 全并行大规模模拟阻变存储器阵列。为了解决大规模阵列中的IR-drop问题，该工作提出了一个紧凑模型以及相应的补偿方案。为了降低混合预编码的计算复杂性，该工作设计了一种新的与CIM兼容的模拟预编码算法框架和权重映射策略。最终，该工作实现了基于RRAM阵列的混合预编码，其性能相对于基于FPGA的混合预编码基本没有降低，且有超过20倍的能效提升。该工作首次探究了基于RRAM阵列的存算通一体的可行性。该成果发表于集成电路领域顶会IEEEInternational Electron Devices Meeting (IEDM)。

成果原文：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10019426

8 超导量子比特表面码的重复纠错的首次实现

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中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳等，在祖冲之2.1超导量子处理器上实验实现了一种由17个量子比特组成的距离为3的纠错表面码，首次实现表面码的重复纠错，这也是祖冲之号量子计算机首次实现纠错。该成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

成果原文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.030501

9 支持多粒度稀疏的AI训练芯片

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清华大学魏少军、尹首一团队在人工智能（AI）训练芯片方向取得突破。该团队设计的AI训练芯片Trainer，以实现场景自适应的高能效模型训练为目标，突破传统AI训练芯片学习机制和电路实现的技术局限性，为高效AI模型训练提供了坚实的硬件基础。该成果发表于集成电路领域顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）。

成果原文：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9779311

10 新型硅基光电子片上集成系统的问世

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北京大学王兴军团队和美国加州大学圣芭芭拉分校John E. Bowers团队，首次报道了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统。研究团队通过直接由半导体激光器泵浦集成微腔光频梳，给硅基光电子集成芯片提供了所需的光源大脑，结合硅基光电子集成技术工业上成熟可靠的集成解决方案，完成大规模集成系统的高效并行化。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04579-3

11 元成像芯片突破光学像差难题

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清华大学戴琼海、方璐团队提出了一种集成化的元成像芯片架构(Meta-imaging sensor)，为解决这一百年难题开辟了一条新路径。区别于构建完美透镜，研究团队另辟蹊径，研制了一种超级传感器，记录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。团队攻克了超精细光场感知与超精细光场融合两大核心技术，以分布式感知突破空间带宽积瓶颈，以自组织融合实现多维多尺度高分辨重建，借此能够用对光线的数字调制来替代传统光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提升至光学衍射极限。这一技术解决了长期以来的光学像差瓶颈，有望成为下一代通用像感器架构，而无需改变现有的光学成像系统，带来颠覆性的变化，将应用于天文观测，生物成像，医疗诊断，移动终端，工业检测，安防监控等领域。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8

12 光致VO₂非易失相变的神经形态光电传感器

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中国科学院物理研究所金奎娟与中科院杨国桢团队，提出了一种基于紫外光辐照/电解质调控VO₂非易失相变的新型神经形态光电传感器，器件展现出良好的线性度、保持特性、硅基兼容性。研究团队进一步构建了人工神经网络并演示了图像识别等功能。本研究将传统红外光学材料VO₂的应用拓展到紫外智能光电传感领域，为近传感器计算/传感器内计算设计提供了新选择。该成果发表于《自然∙通讯》（Nature Communications）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29456-5#peer-review

13 单层面内异质结的同步电/热整流

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清华大学张兴、王海东与吕瑞涛合作，首次发现单层二维面内异质结材料可同时具有优异的电、热整流特性，其电整流比可达10⁴，热整流比最高可达96%。新型二维面内异质结器件不仅具有原子厚度、宽带隙、高迁移率的优点，并且在大功率工作条件下，材料热导率沿着特定方向获得显著提升，无需外界冷却装置即可大幅降低高温热点温度和热应力，提升器件性能、延长使用寿命。该发现为研发新一代高性能电子芯片提供了新思路。该成果发表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0883

14 性能倍增的场效应储能芯片

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武汉理工大学麦立强团队，提出了调制材料费米能级结构实现储能芯片性能倍增的新思路，通过设计构筑场效应储能芯片，实现了电化学工况下材料费米面梯度的原位调控和性能提升。研究表明，通过在储能材料中原位构筑梯度费米面结构，拓宽了材料的嵌入能级。施加场效应后，离子迁移速率提高10倍，材料容量提高3倍以上。此项研究解决了费米面梯度对电化学反应影响机制不明确的科学难题，实现了纳米线容量与反应电势的协同提升，填补了场效应储能芯片领域的空白，为储能芯片在物联网等领域的应用奠定了科学基础。该成果发表于Chem杂志上。

成果原文：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(22)00258-3

15 第二声衰减率的首次观测

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中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚胡辉合作，首次在处于强相互作用（幺正）极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区，并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。该项工作为理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。该成果发表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480

16 具有面内反常霍尔效应的异维超晶格结构

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北京理工大学周家东、姚裕贵和日本大阪大学Kazu Suenaga、北京大学吴孝松、南洋理工大学刘政等，开创性地利用一步化学气相沉积法(CVD) 构筑出不同维度的异维超晶格结构。该异维超晶格结构是由二维层状二硫化钒(VS₂)和一维链状硫化钒(VS)的阵列所构成的周期结构，属于单斜对称的C2/m空间群，该异维超晶格展现出室温面内反常霍尔效应。该工作为构建不同维度超晶格结构，探索凝聚态物理新奇物性开辟了一条新的道路。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2

17 拓扑时间晶体的量子模拟的首次实现

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清华大学邓东灵团队与浙江大学王震、王浩华团队等，在超导系统中首次实验实现了拓扑时间晶体的全数字化量子模拟。团队提出了拓扑时间晶体的理论模型，并通过人工智能算法找到了数字化量子模拟拓扑时间晶体的优化方案。该研究成果实现了一种全新的非平衡物质形态，创新性地将拓扑的概念引入到时间晶体中，丰富了时间晶体的种类，展示了使用中等尺度量子芯片探索奇异量子物态的巨大潜力。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04854-3

18 芯片上拓扑彩虹纳米器件的实现

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北京理工大学路翠翠、胡小永与暨南大学丁伟、孙一之等，利用无孔散射式近场光学显微镜技术，对合成维度光子晶体拓扑彩虹纳米器件的表面电场给出了直接表征，在纳米尺度芯片上实现了显著的拓扑彩虹效应。该成果为促进拓扑光子学物理概念向光子芯片器件应用的转化提供了思路和机会。该成果发表于《自然∙通讯》（Nature Communications）杂志上。

成果原文:
 https://www.nature.com/articles/s41467-022-30276-w

19 可编程高维量子处理器

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北京大学王剑威和龚旗煌等，实现了高维（quantum dit）量子计算芯片，在大规模集成硅基光量子芯片上实现了高维量子位初始化、操作和测量器件的单片集成，通过编程重构该量子处理器，运行了上百万次高保真度量子操作，执行了多种重要的高维量子傅立叶变换类算法，进而证明了高维量子计算具有比二进制量子比特（quantum bit）编码的量子计算更大的计算容量、更高的计算精度和更快的计算速度等显著优势，有望加速构建大尺度光量子计算机。该成果发表于《自然∙通讯》（Nature Communications）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28767-x

20 胶体量子点短波红外成像芯片

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华中科技大学唐江团队报道了国内首款量子点短波红外成像芯片。该芯片通过硫化铅（PbS）胶体量子点与硅基读出电路单片集成制备而成，其像素大小为640 × 512，成像效果部分其性能超越了滨松光子学株式会社（Hamamatsu Photonics K.K.）的商用InGaAs芯片。该成像芯片同步实现了像元比探测率和响应速率的提升，同时也有望显著降低制造成本，为短波红外成像芯片的广泛应用奠定了基础。该成果发表于《自然∙电子》（Nature Electronics）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00779-x

21 精准制造转角双层二维材料

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北京大学刘开辉、上海科技大学王竹君和中国人民大学刘灿，提出了一种「预堆叠衬底-角度复制单晶生长」的新策略，以二维材料中目前研究最广泛的转角双层石墨烯为实验体系，实现了具有可控转角和洁净界面的厘米级双层石墨烯制备。该方法理论上可扩展到其他二维晶体材料的转角制备，有望为大批量可控转角多层二维材料制备提供一种全新的低成本方案，从而为转角电子器件在量子传输、光电传感器件、集成数据存储等相关领域大规模应用提供基础。该成果发表于《自然∙材料》（Nature Materials）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01361-8

22 高性能滤波电容器

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中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所孟国文团队与美国特拉华大学魏秉庆，成功研发了一种新型三维碳管网格膜，将其作为双电荷层电容器（EDLC）电极，大幅提升了电容器的频率响应性能以及在相应频率下的面积比电容和体积比电容，有望作为电子器件中的高性能交流滤波电容器，为电子产品的小型化提供了新的技术路线与核心关键材料。该成果发表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4380

23 激光3D打印纳米铁电畴

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南京大学张勇团队，发展了一种新型非互易激光极化铁电畴技术，将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体内部进行直写，得到了纳米线宽的三维铁电畴结构。在直写过程中，铌酸锂晶体在高强度激光作用下发生多光子吸收，导致局部晶体温度升高，既使得铌酸锂晶体的局域矫顽场降低，又在晶体内部形成了一个有效电场。在二者共同作用下，晶体内部形成一个有效区域，可以实现铁电畴极化反转。这一工作将飞秒激光极化技术与铌酸锂铁电畴工程有机结合，突破了传统技术的壁垒，首次在三维空间实现了纳米铁电畴可控制备。该成果发表于《自然》（Nature）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05042-z

24 「墨子号」实验首次实现1200公里地面站间量子态远程传输

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中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等，利用「墨子号」量子科学实验卫星，在远距离的量子态传输方面取得重要实验进展。该实验首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。该成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letter）杂志上。

成果原文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.170501

25 光的量子拓扑态操控

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浙江大学宋超、王浩华、王大伟团队等，将光的量子属性引入拓扑光子学领域，在全新设计的超导量子芯片上首次实现了光的量子拓扑态操控，其所构建的福克态晶格展现了多个重要的拓扑物理模型。该成果发表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6219

26 基于韧性半导体的柔性热电材料

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中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东、仇鹏飞团队，报告了基于AgCu(Se,S,Te)伪三元固溶体中成分-性能相图的高性能p型延展性热电材料。与其他柔性热电材料相比，具有较高的品质因数值（300开尔文时0.45，340开尔文时0.68）。本工作进一步展示了薄而灵活的π形器件，其最大归一化功率密度达到30 μW cm⁻² K⁻²。该成果有望用于可穿戴电子设备中的柔性热电器件。该成果发表于《科学》（Science）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0682

27 石墨烯辅助电极转印

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中科院上海微系统与信息技术研究所胡伟达、狄增峰等，开发出一种石墨烯辅助金属电极转印技术。该技术以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长金属电极阵列，并利用石墨烯与金属间较弱的范德华作用力，实现了任意金属电极阵列的无损转移，且转移成功率达到100%。该技术对二维材料工艺路径进行了探索，或将推开通向二维芯片应用新世界的大门。该成果发表于《自然∙电子》（Nature Electronics）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00764-4

28 可穿戴超低功耗可重构神经形态计算电子设备

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复旦大学陈琳团队和陈培宁团队，提出了一种同时具有人工突触和神经元功能的可重构神经形态网络忆阻柔性器件，可以在同一单元实现神经突触可塑性和神经元发放功能，在降低神经元电路的复杂性方面表现出明显的优势。人工突触、神经元和功能电阻被集成到一个加热纺织系统中，用于智能温度调节。超低功耗的纺织神经形态网络可以为智能物联网中大脑启发的可重构和可穿戴的神经形态计算电子设备的发展提供新方向。该成果发表于《自然∙通讯》（Nature Communications）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35160-1

29 可重构内存逻辑架构的二维范德华异质结器件

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湖南大学潘安练和李东团队，报道了一种2D范德华异质结器件，它既可以作为可重构晶体管，也可以作为可重构非易失性存储器，并提供可重构的内存逻辑功能。该器件的架构被称为部分浮栅场效应晶体管（PFGFET），它具有电荷俘获和场调节单元。本文使用该器件制造了CMOS电路，具有原位存储的线性和非线性逻辑门，以及半加法器电路。该成果发表于《自然∙电子》（Nature Electronics）杂志上。

成果原文：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00858-z

30 类脑计算芯片：天机X

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清华大学施路平团队，设计了面向智能机器人的类脑计算芯片天机X，是全球首款面向智能机器人的类脑计算芯片，并发展了完善的软件工具链。在执行模型、芯片架构和软件工具链和机器人系统等多个层次进行了系统性创新。研制的天机X具有高算力、低功耗、低延时和跨范式多网络异步并行等优势，为边缘智能和脑科学计算提供了一个高效硬件平台和崭新路径。该成果发表于《科学机器人》（Science Robotics）杂志上。

成果原文：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abk2948