非易失后CMOS处理器电压控制及存储计算关键技术研究

Traditional CMOS processors are facing great challenges in fabrication technology, cost, power, and memory wall, etc, and the processors beyond CMOS become one of the key technologies for both industry and academia. CMOS circuits are volatile, and need the power supply all of the time, otherwise the status will be lost. Non-volatile memories and logic circuits are promising to solve the challenges of CMOS processors, and create a new path for beyond CMOS processors. Currently, most of the research focus on non-volatile devices and memories, and this project will focus on the non-volatile logic circuits and system. This project will investigate the extremely fine-grained lower power voltage control and “in-memory computing” architecture, and design a completely new processor by combining these technologies. This project will solve the challenges of power and memory wall of CMOS processors, and will have a high impact for the beyond CMOS processors and SoCs.

传统的CMOS处理器在工艺尺度、成本、功耗、存储墙等问题上受到了严峻的挑战，后CMOS处理器的关键技术必将成为学术界、产业界关注的核心问题。CMOS电路具有易失性，需随时加电，否则电路逻辑状态不能维持。具有非易失特性的新型存储和逻辑电路有望极大的解决CMOS处理器面临的挑战，从而开辟出一条崭新的非易失后CMOS处理器的发展道路。目前大部分研究集中在非易失器件及存储器，本课题将研究基于非易失器件的逻辑电路与系统,重点研究基于非易失器件的极细粒度低功耗电压控制技术和“存储计算”型处理器架构，并集成这些关键技术构建出一个完整的新型处理器。本课题的研究有望在很大程度上解决目前处理器在功耗及存储墙等方面的挑战，将对后CMOS的处理器及SOC系统产生重大影响。

在自然科学基金面上项目的支持下，课题组按计划开展非易失处理器电压控制、存储计算、及相关技术的电路及架构研究，包括：1）研究非易失器件关键基本电路（如读写电路、寄存器堆等）；2）研究了基于非易失器件（MTJ）的极细粒度电压控制架构及电路，创造性的将电压控制与异步电路融合起来，大幅度提高系统的功耗效率。3）研究基于SRAM及非易失MTJ器件的“存储计算”型处理器架构、电路及指令，并将计算型存储与矢量运算结合起来，大幅提升系统的性能。4）对一个精简处理器（含计算、控制、存储及MTJ的读写电路）基于SMIC工艺进行了设计、流片及测试。.所设计的基于非易失器件（MTJ）的新型电压控制处理器其功耗效率与传统方式相比可降低10倍的静态功耗；所设计的融合计算存储和矢量运算的处理器的性能及功耗效率与传统方式相比提高3倍以上。.本课题成果发表IEEE Transactions on CAS I、IEEE Transactions on TCAD、IEEE Transactions on VLSI 、IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology等13篇论文，申请5项专利（其中2项已授权）。.已培养（毕业）1名博士生、10名硕士生；正培养3名博士生、2名硕士生。

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