Two-dimensional fully ferroelectric-gated hybrid computing-in-memory hardware for high-precision and energy-efficient dynamic tracking

计算机科学 冯·诺依曼建筑 瓶颈 计算机硬件 嵌入式系统 高效能源利用 材料科学 计算机体系结构 电气工程 工程类 操作系统
作者
Tian Lu,Junying Xue,Penghui Shen,Houfang Liu,Xiaoyue Gao,Xiaomei Li,Jian Hao,Dapeng Huang,Ruiting Zhao,Jianlan Yan,Mingdong Yang,Bonan Yan,Peng Gao,Zhaoyang Lin,Yi Yang,Tian‐Ling Ren
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (36) 被引量:10
标识
DOI:10.1126/sciadv.adp0174
摘要

Computing in memory (CIM) breaks the conventional von Neumann bottleneck through in situ processing. Monolithic integration of digital and analog CIM hardware, ensuring both high precision and energy efficiency, provides a sustainable paradigm for increasingly sophisticated artificial intelligence (AI) applications but remains challenging. Here, we propose a complementary metal-oxide semiconductor–compatible ferroelectric hybrid CIM platform that consists of Boolean logic and triggers for digital processing and multistage cell arrays for analog computation. The basic ferroelectric-gated units are assembled with solution-processable two-dimensional (2D) molybdenum disulfide atomic-thin channels at a wafer-scale yield of 96.36%, delivering high on/off ratios (>10 7 ), high endurance (>10 12 ), long retention time (>10 years), and ultralow cycle-to-cycle/device-to-device variations (~0.3%/~0.5%). Last, we customize a highly compact 2D hybrid CIM system for dynamic tracking, achieving a high accuracy of 99.8% and a 263-fold improvement in power efficiency compared to graphics processing units. These results demonstrate the potential of 2D fully ferroelectric-gated hybrid hardware for developing versatile CIM blocks for AI tasks.
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