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自帶記憶的新神器?看國防科大團隊如何勇闖“無人區”

摩爾定律將能否和如何延續,馮諾依曼架構計算機似乎越來越難以適應武器裝備“大腦”的高速進化需求,尋找智能信息器件顛覆性的變化,為未來武器裝備裝上更加強勁的“大腦”,成為沒有硝煙但又火花四濺的大國競爭重要戰場。


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在這個關系國家軍隊未來的戰場上,國防科技大學電子科學學院智能信息器件研究團隊已經拼搏十年,圍繞以憶阻器為代表的新型智能信息器件,聚集了一群充滿“野心”、潛力無限的年輕人,從一窮二白到沉寂中迸發,換來一個個世界級的突破。他們期待著武器裝備“大腦”顛覆性變化早日到來,但他們同樣明白,這份光榮事業充滿挑戰、艱險漫長。 “憶”三年沉寂,終見一線曙光 2008年5月,春光明媚,在團隊一次例行研討會上,《Nature》上的一篇論文引起了師生們的極大興趣。惠普實驗室宣稱找到了“被遺忘”的第四種基本無源器件——憶阻器,該器件具有集成密度高、功耗低、速度快等優勢,非常適合構建下一代新型存儲器。

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這并不是憶阻器第一次出現在人們視野,早在1971年,華裔教授 Leon Chua就從理論上推導出憶阻器的存在,但因其前沿性,在此后的37年里幾乎無人問津。 學術帶頭人徐暉和師生們敏銳認識到,憶阻器的潛力遠遠不止這些,就像當年晶體管替代電子管一樣,憶阻器可能給信息技術的物理基礎帶來顛覆性的變化,可能給國家和軍隊帶來搶占信息技術未來制高點的重大戰略機遇。這次研討令大家永生難忘,他們心情激動,對從未謀面的憶阻器心生向往,好像找到了一個未來,決心成為第一批吃螃蟹的人。


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憶阻器領域看似極具戰略意義,卻又讓人充滿疑惑和爭議。科學和技術問題體系尚未建立,參考文獻寥寥無幾。沒有科研經費,沒有項目支持,沒有實驗條件,起步要從哪里開始?爭取科研項目、條件支持似乎是不可能的事,高水平成果似乎遙遙無期。整整三年,團隊幾乎沒有在高檔次期刊上發表過相關論文,沒有一項憶阻器相關項目上馬。    彼時,博士研究生李清江、田曉波等面臨畢業壓力,急得直撓頭。劉海軍等老師在任期考評、職稱晉升中面臨著無項目、無論文、無成果的尷尬處境。難道,他們給自己找了一條看不到頭的黑胡同嗎?在最困難的時期,師生們再次進行了冷靜的思考,“前行的道路越是困難,發展的前景越是光明。”凝聚的共識越來越清晰,決心越來越堅定。碩士生李智煒原本有機會直博,但是為了留在教研室,他倔強地做出選擇:“只要能留在團隊繼續研究憶阻器,就算考博,我也心甘情愿。” 梅花香自苦寒來,師生們看到了美好未來的曙光。李智煒的一篇論文終于成功發表,那天,辦公室里笑淚交疊。在黑胡同里摸索了三年,終于迎來一篇篇高水平論文和國家級項目,他們向憶阻器領域的沖擊終于“開始”了。 跨重重險“阻”,勇爭世界第一 夢想的羽翼即將展開,此時,學術界出現的一個聲音卻令憶阻器的研究陷入困頓。德國學者研究發現,實際憶阻器I/V特性與憶阻器理論不一致,從而對憶阻器經典理論提出了質疑。一時間,這一問題引發了巨大的學術爭議。 在風光秀美的泰晤士河畔,博士生李清江也在苦苦思索這個問題,此時他已被派往英國帝國理工大學留學,希望能為憶阻器研究打開局面。他反復思忖:如果德國學者的質疑為真,則無異于給原始理論判了死刑,但真的是這樣嗎?憑著一種直覺,他覺得其中暗藏玄機。


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在一次常規測試中,因加班而十分疲憊的李清江出現一個失誤,他忘了關直流電的信號,這時,憶阻器I/V曲線交叉點持續來回移動,細看,還呈現出一定的規律,他猛然意識到:難道說憶阻器里不止有憶阻特性?不如“將錯就錯”,再試幾次。通過反復摸索,他設計出一套新的實驗方法,證實了自己的猜想。原來,實際器件有憶阻、憶容、憶感特性的共存,這既符合經典憶阻器理論,還能夠完美解釋實際器件表現出來的一系列屬性。李清江由此成為國際上解決經典憶阻器理論之爭的“第一人”。 這次強有力的“出拳”給團隊帶來了聲譽,“憶阻器之父” Leon Chua教授高興地發來郵件稱:“這是一個里程碑式的工作。” 憶阻器性能的不穩定是業界公認的難題,其原因就是測試和使用過程中的所謂“復位失效”問題。博士生劉森暗下決心要一探究竟。 探尋原因就必須反復觀測,每一次提取不僅費用龐大,而且觀測到“有用部分”的幾率非常小,這無形中給劉森帶來了不小的壓力。但幸運總是眷顧努力的人,第三次提取,他便觀測到:金屬離子滲透進入惰性電極是導致器件復位失效的內在原因。既然這樣,那何不采用一種材料,阻擋在阻變層與電極之間呢?說干就干,試了無數種材料,效果終不理想。是材料不行?還是自己的猜想錯了……一次看新聞報道,新型材料石墨烯重新引起了他的注意,他立馬跳起來,嘗試用輕薄的石墨烯來做阻擋層,果然成功了! 這一成果成為頂級期刊Advanced Materials的內封面論文,引起了學術界的廣泛響應和跟進,并成功應用于團隊與中科院微電子研究所合作開發的憶阻器工藝中。


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接二連三的“世界第一”給團隊帶來了巨大的激勵。見證了憶阻器領域創新全過程的劉海軍說:“團隊每個成員都擁有各具特色的成長空間、不可或缺的學術地位,享受科學發現和技術創新的快樂。”團隊選送博士生到牛津大學、帝國理工等世界一流大學聯合培養或攻讀學位,與國內外一流團隊合培養一流人才、創造一流成果的學術生態已經形成。同時,屬于他們自己的實驗場地也投入建設,他們終于可以期待一個更大的舞臺。 鑄信息利“器”,征戰強軍戰場 2016年,軍隊有關機構征集顛覆性與原創性的項目,團隊提出了憶阻器重點基礎研究項目建議,獲得首批立項。2017年,類腦芯片研究獲得立項。站在這個充滿挑戰的舞臺上,32歲的團隊負責人李清江說:“我們感覺自己在軍隊智能化建設中大有可為,更加感到在換道超車的歷史突破中責任重大。” 用憶阻器做芯片,又是兩眼一抹黑的全新開始。但這一次,忐忑之余更多的是興奮。 每個教員桌上都壘起了高高的書籍,電子、材料、納米、微電子、生物學……在繁忙的教學任務之外,他們挑燈夜讀,惡補備戰,學術交叉的復雜性讓他們面臨各領域專業知識的挑戰。


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利用憶阻器構建“物理”的類腦芯片,實現星上智能信息處理。從神經元、神經突觸到網絡連接,能否出色地展示憶阻器的神奇魅力?辛辛苦苦的設計,大量的經費投入,會不會換來一塊無法工作的“石頭”?幸運的是,好消息如期而至,板級原型系統、首款原型芯片先后成功并達到技術驗證目標。“有了這次“試水”,大家心中終于有了底。”李楠、王義楠如釋重負。兩款芯片相繼交付生產。他們正像等待糖果的娃娃一樣期待著第二款芯片的返回,期待重點武器裝備的未來“大腦”得到成功應用演示。“為軍隊做貢獻,這既是我們的初心,也是我們的目標,而現在,我們離這一目標越來越近了。”陳長林說。


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在軍隊改革大潮中,已近耳順之年的徐暉和陳長林、步凱等團隊成員一起主動加入“孔雀藍”陣列。“穿什么衣服不重要,重要的是,我還想陪團隊的年輕人再走幾年。”徐暉說。 軍事需求與前沿創新完美結合的魅力吸引著團隊的每一個人,走過柳暗花明的十年,這支隊伍走不散、打不倒。他們堅信,“明日寶藏”將在不久的未來綻放出無限華彩。這份堅定,十年前如此,十年后,依然如此…… 為加快國防科技創新發展積累后勁 電子科學學院政治委員   劉江桂 習主席訓詞指出,國防科技大學是高素質新型軍事人才培養和國防科技自主創新高地。要實現這一戰略要求,必須始終高度重視基礎研究。基礎研究不厚實,自主創新就是一句空話。 智能信息器件研究團隊瞄準世界科技前沿,緊盯戰略性、前沿性、顛覆性技術開展自主創新研究。他們以驚人的決心和勇氣挑戰摩爾定律極限,突破馮諾依曼架構。他們牢記初心使命:只有掌握最基礎最核心的關鍵技術,才能成為科技強軍征程中不可或缺的重要力量,成為備戰打贏體系中不可替代的重要支撐。 這支朝氣蓬勃的隊伍在軍事智能核心技術上的拼搏與擔當值得點贊!我們要進一步激發廣大官兵銳意創新的勇氣、敢為人先的銳氣、蓬勃向上的朝氣,加強力量整合、資源整合、體系融合,打造更多能夠解決“瓶頸短板”的自主創新團隊,奮力搶占軍事競爭戰略制高點,為實現強軍目標、服務備戰打贏做出更大貢獻。

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