1 工作简介

         ——突破二维阵列异构集成良率的异质堆叠2T2R 突触计算核数据密集型人工智能的应用场景复杂性和规模在不断增加，人们对计算能力的需求也越来越大。传统硬件在平面尺度上已经达到极限，暴露出阻碍性能的固有瓶颈。支持微分权重表示的双晶体管双忆阻器（2T2R）架构通过允许权重编程和调制的额外自由度，扩展了突触计算的设计空间，使其非常适合具有增强计算能力的人工神经网络模型。然而，其固有的功能复杂性需要更严格的性能，这带来了重大的集成挑战，特别是在三维异构堆叠架构中，传统材料和新兴二维材料异质集成的神经形态设备的耐久性和可变性面临着重大的扩展挑战，且对集成系统的可靠性和产量的研究明显不足。

针对上述挑战，浙江大学集成电路学院前沿所与北京大学材料学院合作，突破源于对高质量大面积合成、有效材料转移和改进制造技术的挑战，开发高性能、节能和可扩展的突触阵列，实现高可靠性的二维异质堆叠2T2R 突触计算核，每个计算单元可存储15个带符号的离散电导态，突触计算核实现了91.2%的良率突破，并具有扩展到其他基于矩阵乘法的神经形态硬件的潜力。

研究提出并演示了一种基于MoS₂场效应晶体管和Al₂O₃模拟忆阻器的2T2R异构集成结构，用于构建突触计算核。这种结构利用了MoS₂的低漏电特性作为选择器，并结合了与半导体工艺兼容的氧化物忆阻器，实现了多位存储和图像检测功能。采用低温集成方法，结合缺陷控制的材料转移技术，成功实现了具有高产率（>91.2%）和优异系统可靠性的16×16阵列。这种方法为单片3D异构集成提供了一种可行的方案，有助于解决数据爆炸性增长带来的计算挑战。

基于所提出的2T2R突触核心通过片外集成构建的QuantConvMixer神经网络（QCMNN）在CIFAR-10图像识别任务中取得了超过85%的准确率，接近理想准确率。基准测试结果表明，这种基于2T2R的突触核心在准确性和训练速度方面优于传统结构，对于人工神经网络模型的实际实施和广泛采用具有重要意义。

2 主要作者简介

第一作者

何倩，浙江大学集成电路学院电子科学与技术专业博士研究生在读。

研究方向为基于二维神经拟态新型突触器件的开发、机理探究与规模应用，在Nature Communications、Advanced Materials等国内外顶级期刊会议发表论文4篇，并在SSDM等国际重要会议作口头报告。

共同第一作者

王海良，浙江大学集成电路学院电子科学与技术专业博士研究生在读。

研究方向为后摩尔二维神经拟态硬件计算矩阵和系统。博士期间至今以第一作者身份在Nature Communications发表SCI论文1篇，CSTIC、SSDM国际会议发表EI论文2篇。

通讯作者

张亦舒，浙江大学杭州国际科创中心“求是科创学者”，浙江省海外高层次人才，集成电路学院兼聘教授，浙江省集成电路创新平台器件与模型部门兼聘人员。

长期从事新型存储器实现神经形态计算研究，发表学术论文70余篇。其中第一作者/通讯作者论文38篇，包括《Nature Communications》(3篇)、《Device》、《Chemical Society Review》、《Advanced Materials》（5篇）、《Advanced Functional Materials》(2篇) 、《Nano Letters》（5篇）和IEDM, IEEE EDL/TED等；以第一发明人申请发明专利20余项，授权10项，其中2项美国专利。受邀担任Nano-Micro Letters、International Journal of Extreme Manufacturing、Brain-X等国际学术期刊青年编委, 长期担任Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials等期刊审稿人。

通讯作者

俞滨，加州大学柏克莱分校电子工程博士、微纳电子学专家，浙江大学教授/博导，浙江大学国际科创中心战略科学家、未来科学研究院院长，NAI Fellow，IEEE Fellow，荣获IEEE杰出讲座奖和IBM学者奖。

研究方向为类脑感知与计算、后摩尔电子学、新一代信息器件、先进微纳集成芯片等。学术经历包括斯坦福大学顾问教授、北京大学客座教授等。在硅基/碳基/低维半导体电子学、新型逻辑/存储器件、碳基互联、纳米传感、二维材料/异质结、微纳智造等领域做出多项原创性成果，发表包括 Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Matter、Chemical Reviews、Advanced Materials、ACS Nano、IEEE旗舰期刊、IEDM、VLSI Symposium 等顶级国际会议在内300多篇论文，其中4篇入选期刊封面或Highlights。作为众多微纳电子器件和微纳加工技术的发明人，拥有300多项国际发明专利，在微纳电子学领域取得多项世界记录，在IEDM、VLSI Symposium等顶尖国际会议发表论文十余篇，包括全球首个10纳米双栅三维晶体管FinFET（FinFET目前为产业界集成电路芯片主流技术），由于在集成电路缩微化方面的杰出贡献，于2007年当选为IEEE Fellow。受邀在全球高校、企业、国际学术会议做180多场主旨/特邀报告，受聘国际半导体技术路线图（ITRS, 全球半导体产业15年战略技术规划）起草委员会，IEEE EDS和IEEE NTC 执委会，IEEE Fellow评委，IEEE George Smith奖评委，IEEE IEDM技术委员会Chair，IEEE EDL、IEEE T-NANO、IEEE T-ED、Nano-Micro Letters等学术期刊副主编/编辑/特邀编辑，斯坦福大学研究生课程特邀讲员，以及数十个国际学术会议顾问/组委/技术委员会Chair、Co-Chair和成员。

3 原文传递

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59815-x