近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院張亦舒研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國際頂尖期刊《Nature》系列的主要子刊《Nature Communications》上發(fā)表論文，其科研成果憑借創(chuàng)新憶阻器設(shè)計(jì)，在保持更大規(guī)模的前提下，將邊緣性計(jì)算的安全性進(jìn)一步提高。

祝賀張亦舒研究員團(tuán)隊(duì)，也期待學(xué)院有更多優(yōu)秀科研成果涌現(xiàn)！

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)因存儲與計(jì)算分離導(dǎo)致高能耗和延遲，而憶阻器憑借存算一體特性成為解決方案。然而，傳統(tǒng)憶阻器陣列存在串?dāng)_電流問題，限制了其可靠性和規(guī)模。

近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院張亦舒研究員團(tuán)隊(duì)通過自整流憶阻器設(shè)計(jì)，為高安全性邊緣計(jì)算提供了新思路：團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種基于TiN/HfOx/Pt結(jié)構(gòu)的自整流憶阻器（SRM），其整流比（RR）超過10^8，非線性度（NL）高達(dá)10^5，器件間差異（D2D）和循環(huán)間差異（C2C）分別低至3.32%和1.55%。該憶阻器在32×32交叉陣列中展現(xiàn)出優(yōu)異的類腦突觸特性，成功應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ADS）的實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測與抗攻擊任務(wù)中。

圖1：自整流憶阻器的電學(xué)特性

相關(guān)研究成果以“Self-rectifying memristors with high rectification ratio for attack-resilient autonomous driving systems”為題發(fā)表于Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-025-60970-4)。論文第一作者為浙江大學(xué)集成電路學(xué)院碩士研究生張國濱，通訊作者為浙江大學(xué)張亦舒研究員、華中科技大學(xué)繆向水教授、甬江實(shí)驗(yàn)室萬青教授。

高性能自整流憶阻器設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)通過快速熱退火（RTA）工藝調(diào)控HfOx薄膜中的氧空位分布，結(jié)合TiN/Pt電極的功函數(shù)不對稱性，實(shí)現(xiàn)了超高的整流比和低功耗（飛焦耳級別）。該器件在10^7次編程循環(huán)后仍保持穩(wěn)定性能，為大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

類腦突觸特性與陣列應(yīng)用

憶阻器陣列成功模擬了生物突觸的長時(shí)程增強(qiáng)（LTP）和抑制（LTD）行為，并展現(xiàn)出256個(gè)離散的突觸權(quán)重狀態(tài)。基于此，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了硬件級YOLOv9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在伯克利深度駕駛數(shù)據(jù)集（BDD100K）的分類任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了97.16%的準(zhǔn)確率，與軟件模型（97.22%）相當(dāng)。

抗攻擊自動(dòng)駕駛系統(tǒng)驗(yàn)證

在模擬模糊斑塊、RGB斑塊等六類攻擊場景下，自整流憶阻器陣列的識別準(zhǔn)確率顯著優(yōu)于非自整流憶阻器方案，且與GPU模型性能接近。其抗攻擊能力源于憶阻器的低噪聲權(quán)重更新和交叉陣列的串?dāng)_抑制特性。

圖2 : 基于自整流憶阻器陣列的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)