编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天我们一起走进河北大学闫小兵教授团队，谈谈芯片技术的发展。

　　在创新中创“芯”——谈芯片技术的发展

　　在当今时代，芯片已经深深融入我们生活的方方面面。提到芯片，大家首先想到的是什么？是AI、ChatGPT，还是人工智能？其实，从手表、闹钟到高铁、卫星，无数设备中都含有芯片。而集成电路，正是芯片中最核心的组成部分。

　　芯片的发展历程可以追溯到20世纪初。1904年，电子管的发明标志着电子时代的开始，这一技术后来为第一台电子计算机的诞生奠定了基础。1946年，点接触式晶体管的诞生则是另一重要里程碑，它标志着电子设备开始向小型化、低功耗方向发展。1958年，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯几乎同时发明了集成电路，将晶体管与其他元件集成到一个小型的芯片上，从而极大地提升了计算设备的性能和效率。那么芯片是怎样发展起来的呢？芯片可以怎样分类呢？有什么新型芯片在当代有巨大潜力呢？让我们带着问题继续探索。

　　

　　图1 河北大学“科学家讲科学”科普讲座现场

　　从晶体管集成到中小规模集成电路，再到大规模和超大规模集成电路，芯片的发展就是这样一步步实现的。可以说，电子管的发明和第一台电子计算机的诞生本身就是一个奇迹，它们为现代信息社会的建立奠定了坚实的基础。

　　芯片按照使用方式可以分为数字芯片、模拟芯片和数模混合芯片。数字芯片主要用于处理数字信号，模拟芯片则处理模拟信号，而数模混合芯片则能同时处理两种信号。不同的应用领域也需要不同种类的芯片，例如高铁列车使用大功率芯片，即IGBT芯片，而CPU等追求高精密技术的设备则需要使用高精密技术芯片。

　　存储器芯片中的RRAM（Resistive Random-Access Memory）芯片目前是解决“存储墙问题”、实现存算一体、打破冯·诺依曼架构弊端的最有力竞争者，这也是闫小兵团队的研究方向。传统计算系统多采用CMOS结构进行计算，架构为存算分离。而RRAM计算系统则以忆阻器为计算结构，实现存算一体，消除了数据在逻辑处理器与存储芯片之间的传输问题，减少了能耗和时间。在同一任务中，RRAM芯片实现片上学习的能耗仅为ASIC系统的三十五分之一，并且有望实现75倍的能效提升。RRAM将存算一体架构变为现实，就像“上网课”减少了通勤消耗和延迟，节约了能耗。这项技术目前已在多个领域有所应用，并有望在未来发挥更大作用。

　　

　　图1 河北大学闫小兵教授

　　闫小兵团队把先进的半导体制备技术与RRAM器件的制备相结合，主要方向之一是基于人工突触的受大脑启发的并行计算系统。而模拟生物突触行为的人工突触设备的开发是实现硬件神经网络应用和神经启发操作的最大瓶颈。铁电忆阻器的存储数据以非易失性和本征铁电极化状态为特征。因此，可以通过铁电畴切换来连续控制电导，这对提高神经网络的训练有很大帮助。让我们期待闫小兵等科学家在芯片的世界中继续探索，在未来带来更多的突破和惊喜。

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