研究方向

沿着"器件物理 → 存算电路 → 智能系统"的完整链路,探索自旋存算一体 AI 加速器的科学问题与工程实现。

器件层 SOT-MRAM MTJ / 自旋霍尔 紧凑模型 电路层 CIM 宏单元 ADC / SA 非理想补偿 架构层 阵列 / 总线 数据映射 调度与控制 系统层 端侧加速器 AI 推理引擎 片上学习 自下而上:器件驱动 · 自上而下:应用牵引 · 双向协同:算法-电路联合优化
图 1 · 研究框架:从自旋器件到端侧 AI 加速器的四层技术栈
Direction 01

存算一体架构

传统冯·诺依曼架构中,"算"与"存"分离,数据在处理器与存储器之间反复搬运, 带来严重的能耗与延迟瓶颈。存算一体(Compute-in-Memory, CIM)直接在存储阵列内部完成计算, 是后摩尔时代突破"内存墙"的关键路径之一。

我的工作聚焦模拟存内计算:利用交叉阵列中器件的电导表示网络权重, 以输入电压激励、基尔霍夫电流定律天然完成矩阵-向量乘法;同时研究数字存算、 近存计算等不同技术路线,面向实际应用场景做架构级对比与取舍。

模拟 CIM交叉阵列矩阵-向量乘法近存计算
输入 V V₁ V₂ V₃ V₄ ADC W(电导) ΣI = ΣVG·W
交叉阵列:一行输入电压激励,一列电流求和,物理定律即运算
CMOS 衬底 重金属层(β-W / W)— 自旋霍尔效应 MTJ 自由层 ↑ 写入:I_SW(自旋轨道矩 SOT) 读写解耦 · 亚纳秒级翻转 读取:TMR 隧穿磁电阻
SOT-MRAM 三端结构:写走自旋流、读走隧穿电流,读写路径解耦
Direction 02

自旋器件与建模

自旋电子器件以电子自旋而非电荷作为信息载体:非易失、零静态功耗、超快翻转、超高耐久, 且与 CMOS 后道工艺兼容。SOT-MRAM 通过自旋霍尔效应产生纯自旋流写入磁矩, 读写解耦的结构从根本上缓解了传统 STT-MRAM "读扰动"与"耐久性"之间的矛盾。

我从电路设计师的视角出发,与器件团队协作:建立面向宏单元仿真的 紧凑模型,研究热稳定性与写入电流的权衡、 器件间变异(D2D)与周期间变异(C2C)的统计分布,以及多值存储对计算精度的增益。

SOT-MRAM自旋霍尔效应紧凑模型器件变异
Direction 03

AI 加速器系统

神经网络推理的本质是大规模矩阵-向量乘法,天然契合存算一体的计算范式。 我从宏单元(Macro)做起:阵列拓扑、行/列驱动、 灵敏放大器、ADC 与写驱动电路,逐步构建完整的加速器系统。

同时关注算法-电路协同设计:量化感知训练、 器件噪声感知训练、网络到阵列的映射与调度优化,让软件栈充分利用硬件的物理特性, 也帮助硬件设计规避算法的盲区。

CIM MacroADC 设计协同优化片上学习
能效
TOPS/W 量级提升
非易失
深度休眠零保持功耗
耐久
>10¹⁵ 次擦写
兼容
CMOS 后道工艺集成

自旋存算一体芯片的核心吸引力(指标为典型量级,视具体工艺与设计而定)

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