后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究重大研究計(jì)劃2021年度項(xiàng)目指南

1、后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究重大研究計(jì)劃2021年度項(xiàng)目指南“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃面向芯片自主發(fā)展的國家重大戰(zhàn)略需求，以芯片的基礎(chǔ)問題為核心，旨在發(fā)展后摩爾時(shí)代新器件和計(jì)算架構(gòu)，突破芯片算力瓶頸，促進(jìn)我國芯片研究水平的提升，支撐我國在芯片領(lǐng)域的發(fā)展與創(chuàng)新。一、科學(xué)目標(biāo)本重大研究計(jì)劃面向未來芯片算力問題，聚焦芯片領(lǐng)域發(fā)展前沿，擬通過與信息、數(shù)理、工程材料、生命等多學(xué)科的交叉融合，在超低能耗信息處理新機(jī)理、載流子近似彈道輸運(yùn)新機(jī)理、具有高遷移率與高態(tài)密度的新材料、高密度集成新方法以及非馮計(jì)算新架構(gòu)等方面取得突破，研制出1fJ以下開關(guān)能耗的超低功耗器件和超越硅基CMOS載流子輸運(yùn)速度極

2、限的高性能器件，實(shí)現(xiàn)算力提升2個(gè)數(shù)量級以上的非馮諾伊曼架構(gòu)芯片，發(fā)展變革型基礎(chǔ)器件、集成方法和計(jì)算架構(gòu)，培養(yǎng)一支有國際影響力的研究隊(duì)伍，提升我國在芯片領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和國際地位。二、核心科學(xué)問題本計(jì)劃針對后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的算力瓶頸，圍繞以下三個(gè)核心科學(xué)問題展開研究：（一）CMOS器件能耗邊界及突破機(jī)理。需要重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：探尋CMOS器件進(jìn)行單次信息處理的能耗邊界，研究突破該邊界的新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)超低能耗下數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲和傳輸。（二）突破硅基速度極限的器件機(jī)制。需要重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：在探索同時(shí)具備載流子長自由程和高態(tài)密度的新材料體系基礎(chǔ)上，研究近似彈道輸運(yùn)的器件機(jī)理，實(shí)現(xiàn)突破硅基載

3、流子速度極限的高性能器件。（三）超越經(jīng)典馮諾依曼架構(gòu)能效的機(jī)制。需要重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：探尋計(jì)算與存儲融合的機(jī)制與方法，并結(jié)合新型信息編碼范式，實(shí)現(xiàn)新型計(jì)算架構(gòu)，突破馮諾依曼架構(gòu)的能效瓶頸。三、2021年度重點(diǎn)資助研究方向（一）培育項(xiàng)目。圍繞上述科學(xué)問題，以總體科學(xué)目標(biāo)為牽引，2021年度擬資助探索性強(qiáng)、選題新穎、前期研究基礎(chǔ)較好的“培育項(xiàng)目”研究方向如下：1. 超低功耗器件技術(shù)。針對1fJ以下的開關(guān)能耗目標(biāo)，研究超越CMOS的新原理邏輯、存儲、感知器件及其材料、集成技術(shù)；研究生物啟發(fā)新原理器件與功能單元。2. 新材料新工藝技術(shù)。研究高態(tài)密度長自由程新材料及其異質(zhì)集成工藝；研究三維集成設(shè)計(jì)與

4、工藝方法；研究高密度低延遲互連技術(shù)。3. 新架構(gòu)與設(shè)計(jì)方法。研究突破馮諾伊曼能效瓶頸的新型計(jì)算架構(gòu)、存儲架構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法學(xué)。（二）重點(diǎn)支持項(xiàng)目。圍繞核心科學(xué)問題，以總體科學(xué)目標(biāo)為牽引，2021年擬資助研究基礎(chǔ)較好、對總體目標(biāo)有較大貢獻(xiàn)的“重點(diǎn)支持項(xiàng)目”研究方向如下：1. 超低功耗新原理信息器件。研究基于自旋-電荷轉(zhuǎn)換效應(yīng)的超低功耗存算一體器件，重點(diǎn)研究多物理場協(xié)同調(diào)控方法，基于CMOS兼容工藝實(shí)現(xiàn)存算一體器件與陣列集成。2. 多感知融合新原理器件。研究基于單一傳感層的多感知融合新原理器件，實(shí)現(xiàn)溫度、光電、輻射熱、壓力等至少四種典型傳感模態(tài)交叉融合。3. 多層硅納米線生長制備及器件集成技術(shù)。研究

5、多層硅納米線生長制備方法及器件集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度堆疊納米線溝道陣列，基于生長的硅納米線實(shí)現(xiàn)環(huán)繞柵場效應(yīng)晶體管集成。4. 存算一體系統(tǒng)的自動(dòng)化綜合理論和技術(shù)。研究存算模式的抽象表示、存算架構(gòu)的自動(dòng)設(shè)計(jì)、存算模式抽象表示至存算架構(gòu)的自動(dòng)映射方法等問題，實(shí)現(xiàn)存算電路綜合器、存算電路的動(dòng)態(tài)仿真器和CMOS混合仿真器。5. 感算共融集成架構(gòu)和芯片。研究支持多模態(tài)和多感知通道的“感算共融”持續(xù)感知架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支持典型常開型多模態(tài)（視、聽、觸等）感知任務(wù)的感存算一體處理芯片。6. 片上可塑概率計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。研究基于概率脈沖編碼的新型非馮諾伊曼計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可配置2種以上網(wǎng)絡(luò)類型及3種數(shù)據(jù)集推理驗(yàn)證

6、的原型芯片。7. 高性能CMOS基神經(jīng)調(diào)控生物芯片系統(tǒng)。研究對大腦主要功能區(qū)完全覆蓋的大面積、高時(shí)空精度的柔性CMOS薄膜電極陣列及生物芯片集成方法，突破高精度的無線控制、反饋刺激的閉環(huán)系統(tǒng)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高能效的神經(jīng)信號收集、處理與實(shí)時(shí)低功耗的數(shù)據(jù)存儲。(三) 集成項(xiàng)目。根據(jù)“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃實(shí)施方案，本年度擬遴選具有重大應(yīng)用價(jià)值和良好研究基礎(chǔ)的研究方向進(jìn)行集成資助，進(jìn)入總體科學(xué)目標(biāo)的集中攻關(guān)階段，具體研究方向如下：1. 事件驅(qū)動(dòng)型超低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)芯片。面向物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用的低功耗、高能效需求，研究事件驅(qū)動(dòng)型智能物聯(lián)網(wǎng)芯片的體系架構(gòu)和電路拓?fù)洌鉀Q物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)稀疏事件場景下

7、的有效算力低、有效能效低、長時(shí)平均功耗高等問題；研究高能效模擬信號鏈電路的理論和電路技術(shù)，發(fā)展高能效脈沖信號處理和智能推斷的方法，實(shí)現(xiàn)高有效算力比、高能效、超低長時(shí)平均功耗的智能物聯(lián)網(wǎng)芯片及其演示系統(tǒng)，有效算力比高于80%，單次信息采集與計(jì)算操作的能耗小于100pW，長時(shí)平均功耗低于1W，在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)取得典型的示范應(yīng)用。2.基于新原理器件的存內(nèi)計(jì)算芯片。面向邊緣端智能應(yīng)用場景的算力、高能效需求，研究面向模擬存內(nèi)計(jì)算的新原理材料、器件、電路和體系架構(gòu)，發(fā)展器件-電路-架構(gòu)-算法跨層次協(xié)同優(yōu)化策略，基于標(biāo)準(zhǔn)化CMOS大生產(chǎn)平臺實(shí)現(xiàn)單芯片權(quán)重規(guī)模大于16Mb，良率高于99.9%，具有1-8

8、比特可變計(jì)算精度，單比特精度下算力超過4TOPS、算力能效超過100TOPS/W的模擬存內(nèi)計(jì)算芯片，取得具有重大影響的研究成果和典型的示范應(yīng)用。四、項(xiàng)目遴選的基本原則圍繞核心科學(xué)問題，本重大研究計(jì)劃強(qiáng)調(diào)和鼓勵(lì)：（一）緊密圍繞核心科學(xué)問題，鼓勵(lì)有價(jià)值的前沿探索和創(chuàng)新研究；（二）優(yōu)先資助能解決芯片中的實(shí)際難題、具有應(yīng)用前景的研究項(xiàng)目；（三）鼓勵(lì)多學(xué)科交叉研究；（四）重點(diǎn)資助具有良好研究基礎(chǔ)和前期積累、對總體目標(biāo)有直接貢獻(xiàn)的研究項(xiàng)目。五、2021年度資助計(jì)劃2021年度擬資助培育項(xiàng)目10項(xiàng)左右，直接費(fèi)用的平均資助強(qiáng)度約為80萬元/項(xiàng)，資助期限為3年，培育項(xiàng)目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日

9、2024年12月31日”；擬資助重點(diǎn)支持項(xiàng)目6項(xiàng)左右，直接費(fèi)用的平均資助強(qiáng)度約為300萬元/項(xiàng)，資助期限為4年，重點(diǎn)支持項(xiàng)目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日2025年12月31日”；擬資助集成項(xiàng)目2項(xiàng)左右，直接費(fèi)用的平均資助強(qiáng)度約為1500萬元，資助期限為4年，集成項(xiàng)目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日2025年12月31日”。六、申請要求及注意事項(xiàng)（一）申請條件。本重大研究計(jì)劃項(xiàng)目申請人應(yīng)當(dāng)具備以下條件：1. 具有承擔(dān)基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷；2. 具有高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)（職稱）。在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學(xué)位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進(jìn)行申

10、請。（二）限項(xiàng)申請規(guī)定。執(zhí)行2021年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南“申請規(guī)定”中限項(xiàng)申請規(guī)定的相關(guān)要求。（三）申請注意事項(xiàng)。申請人和依托單位應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀并執(zhí)行本項(xiàng)目指南、2021年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南和關(guān)于2021年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請與結(jié)題等有關(guān)事項(xiàng)的通告中相關(guān)要求。1. 本重大研究計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)行無紙化申請。申請書提交日期為2021年3月15日3月20日16時(shí)。（1）申請人應(yīng)當(dāng)按照科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)(以下簡稱信息系統(tǒng))中重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的填報(bào)說明與撰寫提綱要求在線填寫和提交電子申請書及附件材料。（2）本重大研究計(jì)劃旨在緊密圍繞核心科學(xué)問題，將對多學(xué)科相關(guān)研究進(jìn)行戰(zhàn)略性的方向引導(dǎo)和優(yōu)

11、勢整合，成為一個(gè)項(xiàng)目集群。申請人應(yīng)根據(jù)本重大研究計(jì)劃擬解決的具體科學(xué)問題和項(xiàng)目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項(xiàng)目名稱、科學(xué)目標(biāo)、研究內(nèi)容、技術(shù)路線和相應(yīng)的研究經(jīng)費(fèi)等。（3）申請書中的資助類別選擇“重大研究計(jì)劃”，亞類說明選擇“培育項(xiàng)目”或“重點(diǎn)支持項(xiàng)目”或“集成項(xiàng)目”，附注說明選擇“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”，根據(jù)申請的具體研究內(nèi)容選擇相應(yīng)的申請代碼。培育項(xiàng)目和重點(diǎn)支持項(xiàng)目的合作研究單位不得超過2個(gè)，集成項(xiàng)目合作研究單位不得超過4個(gè)。（4）申請人在申請書“立項(xiàng)依據(jù)與研究內(nèi)容”部分，應(yīng)當(dāng)首先明確說明申請符合本項(xiàng)目指南中的重點(diǎn)資助研究方向，以及對解決本重大研究計(jì)劃核心科學(xué)問題、實(shí)現(xiàn)本重大研究計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。如果申請人已經(jīng)承擔(dān)與本重大研究計(jì)劃相關(guān)的其他科技計(jì)劃項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)在申請書正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請項(xiàng)目與其他相關(guān)項(xiàng)目的區(qū)別與聯(lián)系。2. 依托單位應(yīng)當(dāng)按照要求完成依托單位承諾、組織申請以及審核申請材料等工作。在2021年3月20日16時(shí)前通過信息系統(tǒng)逐項(xiàng)確認(rèn)提交本單位電子申請書及附件材料，并于3月21日16時(shí)前在線提交本單位項(xiàng)目申請清單。3. 其他注意事項(xiàng)。(1) 為實(shí)現(xiàn)重大研究計(jì)劃總體科學(xué)目標(biāo)和多學(xué)科集成，獲得資助的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)承諾遵守相關(guān)數(shù)據(jù)和資料管理與共享的規(guī)定，項(xiàng)目執(zhí)行過程中應(yīng)關(guān)注與