何梁何利基金奖 | 复旦大学刘琦：把握科研与产业的转折点

原创 张悦 上海科技

存储技术作为集成电路的重要组成部分，其演变方向长期受到学术界和行业的关注。阻变存储器（RRAM），在先进节点嵌入式存储、人工智能、类脑等应用领域，作为一种基于新原理的新型存储系统，具有很大的应用潜力。

“变阻器是一个基于新原理、新技术的新产业，对我国目前非常重要，必须尽快推进应用落地和产业化。”刘琦在接受上海科技采访时坚定地说。

近日，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、芯片与系统前沿技术研究院、微电子学院教授刘琦获何梁何利基金奖科技创新奖。

有机会敲门

刘琦一干就是二十年，从基础研发到现在规划产业化落地，踏入阻变存储器的大门。

刘琦这样形容自己：“我是个幸运的人。”“成功一方面有自己的努力，但更多的是平台所能给予的机会。”

刘琦直言，2006年，作为一名联合培养的学生，他参与了当时中国科学院微电子研究所的刘明老师团队，进而成为中国最早进入这一领域的研究人员之一，他的科研生涯最大的转折点，人生轨迹最大的变化。

当他与记者分享获奖感受时，他说，他经常不会刻意感到遇到许多挫折和困难。在科研中，更重要的是一路坚持。“一路坚持，一路走来，我觉得坚持正确的发展道路，对我的成长很有帮助。”

机会常常留给有准备的人，

并非每个人都能在科研中抓住科研。

一闪而过的灵光，

以及平台赋予的资源。

对刘琦来说，跨学科通常会带来很多科研灵感，而阻变存储器就是一个AI。、类脑具有密切交叉的基本器件。在与神经科学家的交流中，刘琦意识到生物神经元的多样化放电模式在生物系统中起着重要的作用。通过将神经元放电模式变量引入类脑算法和硬件，预计将从一个全新的角度构建一个更简洁的类脑计算系统。

因此，经过多次尝试，他带领团队终于开发出了高仿生RRAM基神经元电路，具有24种放电方式，成功验证了其在机器人避障、运动控制、智能感知等任务上的高效性，并在Nature上公布了相关工作。 Materials、Nature 在Communications等期刊上，引起了国际同行的广泛关注和跟进研究。

阻变机制揭示纳米尺度

创新创造领域首次创造领域

“

“在学术研究方面，其实很多工作在实验方法等方面都必须有巧妙的创新，才能达到预期的实验效果。”刘琦告诉记者。

”

在阻变存储器的研发初期，一个长期困扰科研人员的问题:我们通过间接方法了解到，导电通道的形成和破裂是导电通道的变化造成的，但是导电通道形成和破裂过程中的微观信息是如何直接获取的呢？

在国际上，我们首次捕捉到了阻变存储器中微观结构的动态变化过程。

在RRAM原点表征下，刘琦开发了透射镜。（TEM）在纳米尺度下观察RRAM导电通道的形状、结构、成分、生长/断裂等微观信息，揭示RRAM导电通道中离子/电子传输对阻的作用机制，建立以局部氧化/复原效应为主导的导电通道生长/断裂模型，澄清导电通道生长/断裂动力学的长期争议。此外，他提出了功能层混合、局域电场增强等设备性能控制策略，完成了导电通道的可控增长，解决了设备良率低、一致性差等一系列科学技术问题，为大规模集成阻变存储器奠定了基础。刘琦是2016年获得国家自然科学奖二等奖的主要完成者之一。

事实上，选择TEM观察材料的微观结构变化并不是一个难以想象的方法。“其实大家可能都能想到”，但为什么只有刘琦团队首先在实验中做到呢？原因在于TEM制样方法的创新——通过借鉴集成电路微纳加工技术，在一个TEM探针上制备了多个纳米尺度的RRAM设备，从而大大提高了TEM原位测试的效率，在电阻转换过程中更容易捕捉到微观结构的变化信息。

阻变存储器

为什么要成为AI时代的底层基础设施？

信息是人工智能发展的三大要素之一，AI时代对数据存储的要求更高。“RRAM本身具有集成度高的特点，可以实现大容量存储和存储一体化的新模式，从而显著减少计算步骤中数据的传输。”

为什么阻变存储器具有这种特性？根据刘琦的说法，在外加电压的鼓励下，阻变存储器形成了局部导电通道的通断，从而实现了0和1的信息存储。与传统的非易失存储器相比，阻变存储器在速度、功耗、电压和集成方面都会提高数量水平。此外，阻变存储器可以实现先进节点的嵌入式集成，更紧密地与计算部件结合，从而大大缩短计算与存储之间数据的交互距离。

面对自己的科研工作，刘琦有一种危机感。“在集成电路领域，我们受制于人们的许多传统技术路径。”因此，有必要加快新技术的产业化，为新一轮的科技革命和产业变革奠定坚实的基础。

“

新技术从基础研究向工业应用迈进，离不开学界与工业界的协同攻关。

”

“在刘明教授的带领下，我们团队对阻变存储器进行了20年的研究，大致可以分为三个阶段:基础研究、集成研发和芯片应用。在基础研究阶段，我们揭示了阻变微机制，开发了设备性能控制方法，建立了设备模型，为阻变存储器的大规模集成和ic设计奠定了科学基础。

在此基础上，我们与国内集成电路制造公司合作开发了40nm/28nm/14nm CMOS嵌入式RRAM集成技术开发了多种国际领先的RRAM存储和存储芯片，并与国内芯片设计公司合作开发了多种嵌入式RRAM。 IPSoC芯片，推动RRAM从基础研究向工业应用迈进。

在采访结束时，刘琦说:“RRAM作为先进节点嵌入式存储的重要技术路径，将从先进存储和AI算率芯片的角度引发技术变革。在这一领域，国际竞争非常激烈。”

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原标题：何梁何利基金奖 | 复旦大学刘琦：把握科研与产业的转折点

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