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自带记忆的新神器?看国防科大团队如何勇闯“无人区”

摩尔定律将能否和如何延续,冯诺依曼架构计算机似乎越来越难以适应武器装备“大脑”的高速进化需求,寻找智能信息器件颠覆性的变化,为未来武器装备装上更加强劲的“大脑”,成为没有硝烟但又火花四溅的大国竞争重要战场。


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在这个关系国家军队未来的战场上,万博manbetx2.0电子科学学院智能信息器件研究团队已经拼搏十年,围绕以忆阻器为代表的新型智能信息器件,聚集了一群充满“野心”、潜力无限的年轻人,从一穷二白到沉寂中迸发,换来一个个世界级的突破。他们期待着武器装备“大脑”颠覆性变化早日到来,但他们同样明白,这份光荣事业充满挑战、艰险漫长。 “忆”三年沉寂,终见一线曙光 2008年5月,春光明媚,在团队一次例行研讨会上,《Nature》上的一篇论文引起了师生们的极大兴趣。惠普实验室宣称找到了“被遗忘”的第四种基本无源器件——忆阻器,该器件具有集成密度高、功耗低、速度快等优势,非常适合构建下一代新型存储器。

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这并不是忆阻器第一次出现在人们视野,早在1971年,华裔教授 Leon Chua就从理论上推导出忆阻器的存在,但因其前沿性,在此后的37年里几乎无人问津。 学术带头人徐晖和师生们敏锐认识到,忆阻器的潜力远远不止这些,就像当年晶体管替代电子管一样,忆阻器可能给信息技术的物理基础带来颠覆性的变化,可能给国家和军队带来抢占信息技术未来制高点的重大战略机遇。这次研讨令大家永生难忘,他们心情激动,对从未谋面的忆阻器心生向往,好像找到了一个未来,决心成为第一批吃螃蟹的人。


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忆阻器领域看似极具战略意义,却又让人充满疑惑和争议。科学和技术问题体系尚未建立,参考文献寥寥无几。没有科研经费,没有项目支持,没有实验条件,起步要从哪里开始?争取科研项目、条件支持似乎是不可能的事,高水平成果似乎遥遥无期。整整三年,团队几乎没有在高档次期刊上发表过相关论文,没有一项忆阻器相关项目上马。    彼时,博士研究生李清江、田晓波等面临毕业压力,急得直挠头。刘海军等老师在任期考评、职称晋升中面临着无项目、无论文、无成果的尴尬处境。难道,他们给自己找了一条看不到头的黑胡同吗?在最困难的时期,师生们再次进行了冷静的思考,“前行的道路越是困难,发展的前景越是光明。”凝聚的共识越来越清晰,决心越来越坚定。硕士生李智炜原本有机会直博,但是为了留在教研室,他倔强地做出选择:“只要能留在团队继续研究忆阻器,就算考博,我也心甘情愿。” 梅花香自苦寒来,师生们看到了美好未来的曙光。李智炜的一篇论文终于成功发表,那天,办公室里笑泪交叠。在黑胡同里摸索了三年,终于迎来一篇篇高水平论文和国家级项目,他们向忆阻器领域的冲击终于“开始”了。 跨重重险“阻”,勇争世界第一 梦想的羽翼即将展开,此时,学术界出现的一个声音却令忆阻器的研究陷入困顿。德国学者研究发现,实际忆阻器I/V特性与忆阻器理论不一致,从而对忆阻器经典理论提出了质疑。一时间,这一问题引发了巨大的学术争议。 在风光秀美的泰晤士河畔,博士生李清江也在苦苦思索这个问题,此时他已被派往英国帝国理工大学留学,希望能为忆阻器研究打开局面。他反复思忖:如果德国学者的质疑为真,则无异于给原始理论判了死刑,但真的是这样吗?凭着一种直觉,他觉得其中暗藏玄机。


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在一次常规测试中,因加班而十分疲惫的李清江出现一个失误,他忘了关直流电的信号,这时,忆阻器I/V曲线交叉点持续来回移动,细看,还呈现出一定的规律,他猛然意识到:难道说忆阻器里不止有忆阻特性?不如“将错就错”,再试几次。通过反复摸索,他设计出一套新的实验方法,证实了自己的猜想。原来,实际器件有忆阻、忆容、忆感特性的共存,这既符合经典忆阻器理论,还能够完美解释实际器件表现出来的一系列属性。李清江由此成为国际上解决经典忆阻器理论之争的“第一人”。 这次强有力的“出拳”给团队带来了声誉,“忆阻器之父” Leon Chua教授高兴地发来邮件称:“这是一个里程碑式的工作。” 忆阻器性能的不稳定是业界公认的难题,其原因就是测试和使用过程中的所谓“复位失效”问题。博士生刘森暗下决心要一探究竟。 探寻原因就必须反复观测,每一次提取不仅费用庞大,而且观测到“有用部分”的几率非常小,这无形中给刘森带来了不小的压力。但幸运总是眷顾努力的人,第三次提取,他便观测到:金属离子渗透进入惰性电极是导致器件复位失效的内在原因。既然这样,那何不采用一种材料,阻挡在阻变层与电极之间呢?说干就干,试了无数种材料,效果终不理想。是材料不行?还是自己的猜想错了……一次看新闻报道,新型材料石墨烯重新引起了他的注意,他立马跳起来,尝试用轻薄的石墨烯来做阻挡层,果然成功了! 这一成果成为顶级期刊Advanced Materials的内封面论文,引起了学术界的广泛响应和跟进,并成功应用于团队与中科院微电子研究所合作开发的忆阻器工艺中。


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接二连三的“世界第一”给团队带来了巨大的激励。见证了忆阻器领域创新全过程的刘海军说:“团队每个成员都拥有各具特色的成长空间、不可或缺的学术地位,享受科学发现和技术创新的快乐。”团队选送博士生到牛津大学、帝国理工等世界一流大学联合培养或攻读学位,与国内外一流团队合培养一流人才、创造一流成果的学术生态已经形成。同时,属于他们自己的实验场地也投入建设,他们终于可以期待一个更大的舞台。 铸信息利“器”,征战强军战场 2016年,军队有关机构征集颠覆性与原创性的项目,团队提出了忆阻器重点基础研究项目建议,获得首批立项。2017年,类脑芯片研究获得立项。站在这个充满挑战的舞台上,32岁的团队负责人李清江说:“我们感觉自己在军队智能化建设中大有可为,更加感到在换道超车的历史突破中责任重大。” 用忆阻器做芯片,又是两眼一抹黑的全新开始。但这一次,忐忑之余更多的是兴奋。 每个教员桌上都垒起了高高的书籍,电子、材料、纳米、微电子、生物学……在繁忙的教学任务之外,他们挑灯夜读,恶补备战,学术交叉的复杂性让他们面临各领域专业知识的挑战。


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利用忆阻器构建“物理”的类脑芯片,实现星上智能信息处理。从神经元、神经突触到网络连接,能否出色地展示忆阻器的神奇魅力?辛辛苦苦的设计,大量的经费投入,会不会换来一块无法工作的“石头”?幸运的是,好消息如期而至,板级原型系统、首款原型芯片先后成功并达到技术验证目标。“有了这次“试水”,大家心中终于有了底。”李楠、王义楠如释重负。两款芯片相继交付生产。他们正像等待糖果的娃娃一样期待着第二款芯片的返回,期待重点武器装备的未来“大脑”得到成功应用演示。“为军队做贡献,这既是我们的初心,也是我们的目标,而现在,我们离这一目标越来越近了。”陈长林说。


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在军队改革大潮中,已近耳顺之年的徐晖和陈长林、步凯等团队成员一起主动加入“孔雀蓝”阵列。“穿什么衣服不重要,重要的是,我还想陪团队的年轻人再走几年。”徐晖说。 军事需求与前沿创新完美结合的魅力吸引着团队的每一个人,走过柳暗花明的十年,这支队伍走不散、打不倒。他们坚信,“明日宝藏”将在不久的未来绽放出无限华彩。这份坚定,十年前如此,十年后,依然如此…… 为加快国防科技创新发展积累后劲 电子科学学院政治委员   刘江桂 习主席训词指出,万博manbetx2.0是高素质新型军事人才培养和国防科技自主创新高地。要实现这一战略要求,必须始终高度重视基础研究。基础研究不厚实,自主创新就是一句空话。 智能信息器件研究团队瞄准世界科技前沿,紧盯战略性、前沿性、颠覆性技术开展自主创新研究。他们以惊人的决心和勇气挑战摩尔定律极限,突破冯诺依曼架构。他们牢记初心使命:只有掌握最基础最核心的关键技术,才能成为科技强军征程中不可或缺的重要力量,成为备战打赢体系中不可替代的重要支撑。 这支朝气蓬勃的队伍在军事智能核心技术上的拼搏与担当值得点赞!我们要进一步激发广大官兵锐意创新的勇气、敢为人先的锐气、蓬勃向上的朝气,加强力量整合、资源整合、体系融合,打造更多能够解决“瓶颈短板”的自主创新团队,奋力抢占军事竞争战略制高点,为实现强军目标、服务备战打赢做出更大贡献。

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