清華大學材料科學與工程研究院《材料科學論壇》學術報告

報告時間：2025年4月10日上午10:00-11:00

報告人：樊貞研究員（華南師範大學）

報告地點：清華大學逸夫技術科學樓A205學術報告廳

邀請人：李千老師

報告題目：面向(感)存算一體AI硬件的鐵電類腦器件

報告摘要：

(感)存算一體架構的類腦計算系統是一種新興AI硬件，其具有高度并行、超低功耗等優勢，被認為是打破傳統計算架構局限性、實現高效AI計算的理想工具之一。類腦計算系統的硬件實現依賴于人工神經元和突觸兩種基本單元，它們分别負責信息處理和傳遞，扮演着極為重要的角色。目前人工神經元和突觸大多基于導電細絲型憶阻器，這些器件雖能實現各種神經元和突觸功能，但細絲通斷的随機性和焦耳熱效應使其在可控性、能耗等方面存在不足。相比而言，鐵電極化翻轉具有更高确定性，而且速度快、能耗低，因此基于鐵電材料的人工神經元和突觸近期受到廣泛關注。

然而，目前鐵電基人工神經元和突觸大多功能不夠完備，且局限于存算一體範式。本課題組通過構築新原理器件來解決這些問題。人工神經元方面，我們提出并證明了一種基于逆壓電效應的新型壓電神經元，它利用d31模式壓電懸臂梁模拟神經元中的離子通道開關，實現了完備的洩露、積分、點火、複位等神經元功能，且表現出高可靠性、高速和較低能耗。人工突觸方面，我們研制出一種受印刻效應調制的鐵電阻變突觸，其在同一器件結構中通過引入和消除印刻場，分别獲得了短期記憶和長期記憶兩種不同特性；利用二者分别作為儲備池層和讀出層核心單元，構建出全鐵電儲備池計算系統，實現了高精度、低功耗的時序信息處理。此外，我們還研制出一種感存算一體新範式的鐵電光伏突觸，其利用極化對光伏效應的調制，獲得了多級、非易失、正負對稱的光響應度；進一步構建出類腦視覺神經網絡，實現了零能耗圖像感知與實時處理。以上研究展示了鐵電材料與器件在新型(感)存算一體AI硬件方面的應用潛力。

報告人簡介：

樊貞，華南師範大學研究員、博導。2011年獲上海交通大學學士學位，2015年獲新加坡國立大學博士學位，2016年擔任華南師範大學副研究員，2020年晉升為研究員。研究興趣集中在鐵電材料與類腦器件。近幾年的主要學術貢獻包括：(1)研制出感存算一體鐵電光伏傳感器網絡，實現了零能耗圖像感知與實時處理。(2)研制出全鐵電儲備池計算系統，實現了高精度、低功耗的時序信息處理。(3)提出并證明了新型壓電神經元，實現了完備的LIF神經元功能。以第一/通訊作者在Nat. Commun. (3)、Adv. Mater. (2)等期刊上發表論文53篇，其中ESI熱點論文1篇，高被引論文3篇。論文總引用5560次，H因子37。獲批廣東省傑青、青年珠江學者等人才項目。擔任J. Materiomics等期刊的青年編委。