面向我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對后摩爾時(shí)代芯片發(fā)展中最本質(zhì)的算力瓶頸問題，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)2019年啟動(dòng)了“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃，旨在通過新材料、新原理、新結(jié)構(gòu)、新器件和新架構(gòu)的創(chuàng)新研究，突破芯片算力瓶頸，提升我國芯片研究水平。
為進(jìn)一步做好“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃的項(xiàng)目立項(xiàng)和資助工作，經(jīng)本重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組和管理工作組會(huì)議討論決定，面向科技界征集2022年度項(xiàng)目指南建議。
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
為實(shí)現(xiàn)總體科學(xué)目標(biāo)，本重大研究計(jì)劃圍繞以下三個(gè)核心科學(xué)問題展開研究：
（一）器件能耗邊界及突破機(jī)理
傳統(tǒng)MOSFET器件的亞閾值擺幅受熱力學(xué)的限制存在理論極限，在室溫下不低于60 mV/dec，這使得基于MOSFET器件的芯片不能無限制地通過減小工作電壓來降低功耗。并且，隨著MOSFET器件尺寸縮小，玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)漲落導(dǎo)致的器件不確定性使其功耗與尺寸縮小之間存在難以調(diào)和的矛盾。
本計(jì)劃將探尋傳統(tǒng)MOSFET器件的能耗邊界，研究突破該邊界的輸運(yùn)新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)極低功耗下的計(jì)算、存儲和傳輸。
（二）逼近速度極限的輸運(yùn)機(jī)制
傳統(tǒng)MOSFET器件的輸運(yùn)特性同時(shí)受到輸運(yùn)速度和態(tài)密度的影響。一般來說，載流子平均自由程越大，輸運(yùn)速度越接近熱注入速度的彈道輸運(yùn)極限；另一方面，態(tài)密度越高，器件的電流輸運(yùn)能力越高。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料中，二者存在著本質(zhì)性矛盾，使得器件性能難以獲得持續(xù)提升。
本計(jì)劃將探索實(shí)現(xiàn)長自由程和高態(tài)密度材料體系和近似彈道輸運(yùn)的器件機(jī)理，逼近載流子彈道輸運(yùn)速度極限，實(shí)現(xiàn)超越傳統(tǒng)MOSFET的高性能器件。
（三）超越馮氏架構(gòu)能效的機(jī)制
傳統(tǒng)馮?諾依曼計(jì)算架構(gòu)的計(jì)算速度和信息存儲的讀寫速度之間存在巨大的鴻溝，被稱為“存儲墻”問題。在計(jì)算系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)時(shí)，總線中頻繁但速度受限的數(shù)據(jù)交換已成為限制算力提升的瓶頸。另一方面，傳統(tǒng)計(jì)算范式以二進(jìn)制編碼為基礎(chǔ)，而器件漲落的不確定性與二進(jìn)制編碼的確定性之間存在矛盾，需要更多的硬件開銷和功耗代價(jià)予以糾正，限制了大規(guī)模計(jì)算的能耗效率。
本計(jì)劃將探尋基于新型信息載體和編碼方式的計(jì)算與存儲單元，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建突破馮?諾依曼架構(gòu)能效瓶頸的新型計(jì)算架構(gòu)與范式。
三、指南建議書主要內(nèi)容
根據(jù)《國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃管理辦法》，重大研究計(jì)劃項(xiàng)目包括培育項(xiàng)目、重點(diǎn)支持項(xiàng)目、集成項(xiàng)目和戰(zhàn)略研究項(xiàng)目4個(gè)亞類，本次指南建議征集主要針對培育項(xiàng)目和重點(diǎn)支持項(xiàng)目2個(gè)亞類，其中：
（一）培育項(xiàng)目是指符合重大研究計(jì)劃的研究目標(biāo)和資助范圍，創(chuàng)新性明顯，尚需在研究中進(jìn)一步明確突破方向和凝聚研究力量的項(xiàng)目。
（二）重點(diǎn)支持項(xiàng)目是指研究方向?qū)儆趪H前沿，創(chuàng)新性強(qiáng)，有很好的研究基礎(chǔ)和研究隊(duì)伍，有望取得重要研究成果，并且對重大研究計(jì)劃目標(biāo)的完成有重要作用的項(xiàng)目。
指南建議書主要內(nèi)容包括：
（一）對解決本重大研究計(jì)劃核心科學(xué)問題、實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)；
（二）圍繞解決核心科學(xué)問題擬開展的主要研究內(nèi)容；
（三）預(yù)期可能取得的突破性進(jìn)展及其可行性論證；
（四）建議資助項(xiàng)目亞類說明。
四、近兩年已發(fā)布指南方向
（一）2020年度項(xiàng)目指南：http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab568/info77917.htm
（二）2021年度項(xiàng)目指南：http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab948/info79814.htm
五、指南建議書提交方式
請于2021年10月25日前將“指南建議書”Word電子版文件（見附件）發(fā)至信息科學(xué)部四處電子郵箱。
郵箱：[email protected]
聯(lián)系電話：010-62327143（孫玲）
附：“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃2022年度項(xiàng)目指南建議書模板
國家自然科學(xué)基金委員會(huì)
信息科學(xué)部
