關(guān)于發(fā)布后摩爾時代新器件基礎(chǔ)研究重大研究計劃2024年度項目指南的通告

　　國科金發(fā)計〔2024〕137號

　　國家自然科學(xué)基金委員會現(xiàn)發(fā)布后摩爾時代新器件基礎(chǔ)研究重大研究計劃2024年度項目指南，請申請人及依托單位按項目指南所述要求和注意事項申請。

　　國家自然科學(xué)基金委員會

　　2024年5月21日

　　后摩爾時代新器件基礎(chǔ)研究重大研究計劃

　　2024年度項目指南

　　本重大研究計劃面向芯片自主發(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)展后摩爾時代新器件和計算架構(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)域的科技創(chuàng)新。

　　一、科學(xué)目標(biāo)

　　本重大研究計劃面向未來芯片算力問題，聚焦芯片領(lǐng)域發(fā)展前沿，擬通過信息、數(shù)學(xué)、物理、材料、工程、生命等多學(xué)科的交叉融合，在超低能耗信息處理新機理、載流子近似彈道輸運新機理、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載流子輸運速度極限的高性能器件，實現(xiàn)算力提升2個數(shù)量級以上的非馮架構(gòu)芯片，發(fā)展變革型基礎(chǔ)器件、集成方法和計算架構(gòu)，培養(yǎng)一支有國際影響力的研究隊伍，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

　　針對后摩爾時代芯片技術(shù)的算力瓶頸，圍繞以下三個核心科學(xué)問題展開研究：

　　(一)CMOS器件能耗邊界及突破機理。

　　需要重點解決以下關(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理，實現(xiàn)超低能耗下數(shù)據(jù)的計算、存儲和傳輸。

　　(二)突破硅基速度極限的器件機制。

　　需要重點解決以下關(guān)鍵問題：在探索同時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，研究近似彈道輸運的器件機理，實現(xiàn)突破硅基載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)能效的機制。

　　需要重點解決以下關(guān)鍵問題：探尋計算與存儲融合的機制與方法，并結(jié)合新型信息編碼范式，實現(xiàn)新型計算架構(gòu)，突破馮?諾依曼架構(gòu)的能效瓶頸。

　　三、2024年度重點資助研究方向

　　(一)培育項目。

　　圍繞上述科學(xué)問題，以總體科學(xué)目標(biāo)為牽引，擬資助探索性強、選題新穎、前期研究基礎(chǔ)較好的培育項目5項，研究方向包括但不限于以下內(nèi)容：

　　1. 超低功耗器件的理論、材料與集成技術(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、存儲器件及其核心材料與集成技術(shù);研究極端物理條件下的極低功耗信息處理與存儲機制及模型。

　　2. 高速高性能器件的理論、材料與集成技術(shù)。

　　探究彈道輸運機制，尋求高遷移率和高態(tài)密度的硅基兼容半導(dǎo)體新材料，研究并實現(xiàn)高彈道輸運系數(shù)的新型場效應(yīng)器件;探索有限能耗下的信息高速處理、存取與傳輸新機制及其器件技術(shù)。

　　3. 高能效計算與存儲架構(gòu)。

　　探尋突破馮諾伊曼能效瓶頸的新型計算架構(gòu)和存儲架構(gòu)，研究面向存內(nèi)計算新架構(gòu)的設(shè)計方法學(xué)。

　　(二)重點支持項目。

　　圍繞核心科學(xué)問題，以總體科學(xué)目標(biāo)為牽引，擬資助前期研究成果積累較好、處于當(dāng)前前沿?zé)狳c、對總體目標(biāo)有較大貢獻(xiàn)的重點支持項目6項，方向如下：

　　1.超低溫下的彈道輸運器件。

　　面向低功耗高性能需求，研制低溫彈道輸運器件，低于77K 工作溫度下，柵極過驅(qū)動電壓和漏極電壓同時小于0.5 V 時，器件電流開關(guān)比達(dá)到9個數(shù)量級以上，器件的彈道輸運系數(shù)大于0.8，且載流子注入速度大于 1×107 cm/s;建立77K以下低溫器件PDK，設(shè)計在77K以下低溫工作的8 bit微處理器，實驗驗證其速度和功耗性能優(yōu)于室溫性能1倍以上，為超越現(xiàn)有硅基高性能計算技術(shù)提供可工程化的解決方案。

　　2.高遷移率堆疊溝道圍柵CMOS器件。

　　面向高性能應(yīng)用需求，研制出高遷移率堆疊溝道的多層圍柵CMOS器件，溝道層數(shù)不小于3層，NMOS與PMOS在工作電壓為0.7 V時開態(tài)電流均大于600 μA/μm，NMOS與PMOS的閾值電壓絕對值偏差小于100 mV，開關(guān)比大于106。

　　3.高魯棒性的SRAM存算一體架構(gòu)及其大規(guī)模擴(kuò)展架構(gòu)研究。

　　研究數(shù)字域SRAM(隨機靜態(tài)存儲器)存算一體架構(gòu)及其高魯棒性設(shè)計方案，研究定點、浮點及可變精度的高算力密度SRAM存算一體架構(gòu)技術(shù)，單芯片算力不低于4 TOPS，支持INT8/BF16等主流計算精度，支持大模型中的張量算子;研究面向大模型應(yīng)用的算力可擴(kuò)展架構(gòu)及高效編譯方法，算力不低于100 TOPS@INT8, 50 TFLOPS@BF16，解決SRAM存算一體架構(gòu)的算力擴(kuò)展問題。

　　4.融合不同存儲介質(zhì)的異構(gòu)存算一體架構(gòu)研究。

　　研究融合新型非易失高密度存儲器與易失性高速高耐久性存儲器異質(zhì)集成方法、近存與存內(nèi)計算電路融合設(shè)計、多算子靈活可編程架構(gòu)技術(shù)、以及融合不同存儲介質(zhì)的異構(gòu)存算一體架構(gòu)芯片，支持INT8、BF16等多種數(shù)據(jù)精度，計算能效>20 TOPS/W@INT8，支持大模型、機器視覺等主流人工智能算法的多種張量算子，實現(xiàn)算力密度和能效的顯著提升。

　　5.面向科學(xué)計算的高精度模擬計算架構(gòu)研究。

　　研究基于模擬計算機制的線性矩陣方程、非線性矩陣方程、微分方程的高精度求解方法與電路拓?fù)?，研究面向科學(xué)計算或AI for Science的模擬計算架構(gòu);矩陣求解規(guī)模不少于1024×1024，精度不低于32位浮點數(shù);FP32求解精度下，功耗降低2個數(shù)量級，求解延時降低1個數(shù)量級。

　　6.面向新型計算器件的異構(gòu)眾核架構(gòu)設(shè)計方法。

　　面向新型計算器件，研究通用、可擴(kuò)展的異構(gòu)眾核架構(gòu)設(shè)計方法。構(gòu)建應(yīng)用分析模型，獲取“專用-通用”異構(gòu)算力、存儲帶寬等設(shè)計需求;構(gòu)建架構(gòu)設(shè)計語言，基于新型計算器件描述異構(gòu)計算核、眾核數(shù)據(jù)流、存儲層次和互連等;研究異構(gòu)眾核架構(gòu)的自動化生成和尋優(yōu)方法，提升架構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)。基于上述方法開發(fā)工具原型，選取典型器件和應(yīng)用設(shè)計異構(gòu)眾核架構(gòu)，專用算力不低于64 TOPS@INT8、通用算力不低于6 TOPS@INT8。

　　(三)集成項目。

　　擬遴選具有重大應(yīng)用價值和良好研究基礎(chǔ)的研究方向資助集成項目3項，方向如下：

　　1.面向大規(guī)模CMOS集成的二維半導(dǎo)體技術(shù)。

　　針對后摩爾時代超低功耗器件的需求，研究面向大規(guī)模CMOS集成的單原子層二維半導(dǎo)體材料、器件、EDA與工藝，解決硅基CMOS技術(shù)面臨的微縮瓶頸與功耗瓶頸。發(fā)展N型與P型二維半導(dǎo)體單晶制備方法，實現(xiàn)8英寸硅基襯底上二維半導(dǎo)體單晶連續(xù)薄膜的制備;研究二維半導(dǎo)體器件集成工藝，實現(xiàn)基于二維半導(dǎo)體的CMOS邏輯門單元，其中器件柵介質(zhì)等效氧化層厚度(EOT)≤1 nm，歐姆接觸電阻≤100 Ω·μm(接觸長度≤20 nm)，1 V源漏電壓下開態(tài)電流密度≥1 mA/μm;發(fā)展器件-工藝-電路協(xié)同優(yōu)化策略，研制千門級二維半導(dǎo)體邏輯芯片，實現(xiàn)關(guān)鍵邏輯功能驗證。

　　2.RISC-V與存算一體異構(gòu)融合芯片。

　　面向大模型等人工智能應(yīng)用的高算力密度、計算完備性和自主可控生態(tài)的需求，研究SRAM存算一體與高性能RISC-V處理器的異構(gòu)融合架構(gòu)設(shè)計，多核可擴(kuò)展架構(gòu)與高速互連設(shè)計，及全棧式異構(gòu)計算編譯與軟件棧。完成基于高性能RISC-V處理器核的存算一體擴(kuò)展指令集，包括不低于10條擴(kuò)展指令，實現(xiàn)異構(gòu)計算芯片原型1款，AI計算模塊的算力密度大于5.92 TPP/mm2，完成多核異構(gòu)可擴(kuò)展計算架構(gòu)及其仿真器設(shè)計，架構(gòu)算力不低于100 TOPS@INT8，完成RISC-V異構(gòu)編譯全棧軟件工具鏈，實現(xiàn)面向異構(gòu)多核芯片的高效編譯與自動化程序部署。

　　3.數(shù)據(jù)驅(qū)動存算集成計算架構(gòu)。

　　面向人工智能高算力、高能效需求，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字計算與存內(nèi)計算結(jié)合的存算集成計算架構(gòu)并研制驗證芯片。研究存算集成架構(gòu)的數(shù)據(jù)編碼方式與計算原理，探索數(shù)據(jù)驅(qū)動的存算協(xié)同數(shù)據(jù)流，設(shè)計適配存算集成的電路、系統(tǒng)架構(gòu)與并行方法，解決智能計算芯片高能效、高精度、高靈活難兼顧的難題。研制數(shù)據(jù)驅(qū)動存算集成計算芯片，支持可變計算精度，支持線性與非線性算子>10種，峰值計算能效> 40 TOPS·bit/W，存算陣列性能密度>12 TOPS·bit/mm2，存儲容量>1 Mb，存儲密度>1 Mb/mm2，在典型人工智能模型上完成驗證。

　　四、項目遴選的基本原則

　　(一)緊密圍繞核心科學(xué)問題，鼓勵有價值的前沿探索和創(chuàng)新研究。

　　(二)優(yōu)先資助能解決芯片中的實際難題、具有應(yīng)用前景的研究項目。

　　(三)鼓勵與數(shù)學(xué)、物理、工程、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科交叉研究。

　　(四)重點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)的研究項目。

　　五、2024年度資助計劃

　　2024年度擬資助培育項目5項，直接費用的平均資助強度約為80萬元/項，資助期限為3年，培育項目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2025年1月1日-2027年12月31日”;擬資助重點支持項目6項，直接費用的平均資助強度約為300萬元/項，資助期限為3年，重點支持項目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2025年1月1日-2027年12月31日”。擬資助集成項目3項，直接費用的平均資助強度約為1500萬元/項，資助期限為3年，集成項目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2025年1月1日-2027年12月31日”。

　　六、申請要求及注意事項

　　(一)申請條件。

　　本重大研究計劃項目申請人應(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)行申請。

　　(二)限項申請規(guī)定。

　　執(zhí)行《2024年度國家自然科學(xué)基金項目指南》“申請規(guī)定”中限項申請規(guī)定的相關(guān)要求。

　　(三)申請注意事項。

　　申請人和依托單位應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀并執(zhí)行本項目指南、《2024年度國家自然科學(xué)基金項目指南》和《關(guān)于2024年度國家自然科學(xué)基金項目申請與結(jié)題等有關(guān)事項的通告》中相關(guān)要求。

　　1.本重大研究計劃項目實行無紙化申請。申請書提交日期為2024年6月24日-7月1日16時。

　　(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))中重大研究計劃項目的填報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)勢整合，成為一個項目集群。申請人應(yīng)根據(jù)本重大研究計劃擬解決的具體科學(xué)問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、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)費等。

　　(3)申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“培育項目”“重點支持項目”或“集成項目”，附注說明選擇“后摩爾時代新器件基礎(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。

　　培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。集成項目的合作研究單位不得超過4個。

　　(4)申請人在申請書“立項依據(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目指南中的重點資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學(xué)問題、實現(xiàn)本重大研究計劃科學(xué)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。

　　如果申請人已經(jīng)承擔(dān)與本重大研究計劃相關(guān)的其他科技計劃項目，應(yīng)當(dāng)在申請書正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請項目與其他相關(guān)項目的區(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2024年7月1日16時前通過信息系統(tǒng)逐項確認(rèn)提交本單位電子申請書及附件材料，并于7月2日16時前在線提交本單位項目申請清單。

　　3.其他注意事項。

　　(1)為實現(xiàn)重大研究計劃總體科學(xué)目標(biāo)和多學(xué)科集成，獲得資助的項目負(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，項目執(zhí)行過程中應(yīng)關(guān)注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關(guān)系。

　　(2)為加強項目的學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)項目群的形成和多學(xué)科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦一次資助項目的年度學(xué)術(shù)交流會，并將不定期地組織相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研討會。獲資助項目負(fù)責(zé)人有義務(wù)參加本重大研究計劃指導(dǎo)專家組和管理工作組所組織的上述學(xué)術(shù)交流活動。

　　(四)咨詢方式。

　　國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部四處

　　聯(lián)系電話：010-62327351