后摩爾時代新器件基礎研究重大研究計劃

2022年度項目指南

“后摩爾時代新器件基礎研究”重大研究計劃面向芯片自主發展的國家重大戰略需求，以芯片的基礎問題為核心，旨在發展后摩爾時代新器件和計算架構，突破芯片算力瓶頸，促進我國芯片研究水平的提升，支撐我國在芯片領域的發展與創新。

一、科學目標

本重大研究計劃面向未來芯片算力問題，聚焦芯片領域發展前沿，擬通過信息、數理、工程材料、生命等多學科的交叉融合，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密度的新材料、高密度集成新方法以及非馮計算新架構等方面取得突破，研制出1fJ以下開關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，實現算力提升2個數量級以上的非馮?諾伊曼架構芯片，發展變革型基礎器件、集成方法和計算架構，培養一支有國際影響力的研究隊伍，提升我國在芯片領域的自主創新能力和國際地位。

二、核心科學問題

本計劃針對后摩爾時代芯片技術的算力瓶頸，圍繞以下三個核心科學問題展開研究：

(一)CMOS器件能耗邊界及突破機理。

需要重點解決以下關鍵問題：探尋CMOS器件進行單次信息處理的能耗邊界，研究突破該邊界的新機理，實現超低能耗下數據的計算、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鍵問題：在探索同時具備載流子長自由程和高態密度的新材料體系基礎上，研究近似彈道輸運的器件機理，實現突破硅基載流子速度極限的高性能器件。

(三)超越經典馮?諾依曼架構能效的機制。

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

三、2022年度資助的研究方向

(一)培育項目。

圍繞上述科學問題，以總體科學目標為牽引，2022年度擬資助探索性強、選題新穎、前期研究基礎較好的申請項目，研究方向如下：

1.新原理超低功耗器件。

針對1fJ以下的開關能耗目標，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;研究高傳輸效率、低能量耗散的芯片級互連技術;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.具有長自由程與高態密度的半導體新材料和器件。

探究彈道輸運機制，尋求超越傳統硅基溝道自由程和高態密度的半導體材料，研究并實現高彈道輸運系數的新型場效應器件。

3.新型計算與存儲架構。

探尋突破馮?諾伊曼能效瓶頸的新型計算架構和存儲架構，研究面向存內計算新架構的設計方法學。

(二)重點支持項目。

圍繞核心科學問題，以總體科學目標為牽引，2022年擬資助研究基礎較好、對總體目標有較大貢獻的申請項目，研究方向如下：

1.低功耗新材料DRAM器件技術。

研制出CMOS后道集成工藝兼容的高速低功耗無電容DRAM單元，讀寫時間小于10ns，動態保持時間1小時以上，實現多bit存儲。

2.基于新材料的近似彈道輸運器件。

研究超越單晶硅溝道平均自由程，同時具備高態密度的新溝道材料，實現與CMOS工藝兼容且逼近彈道輸運極限的新溝道材料互補場效應晶體管。室溫下，柵極過驅動電壓和漏極電壓小于0.75 V時，彈道輸運系數大于0.5，注入速度大于5×106cm/s，驅動電流超過500μA/μm。

3.可重構的混合編碼計算架構及電路復用技術。

研究包含隨機數、時間域、頻率域、模擬域等兩種或多種新型編碼機制、數據精度可配置的混合編碼計算架構，以及編碼可重構、硬件可復用的電路設計技術，研制基于CMOS或新型非易失器件的混合編碼芯片，實現與數字電路相當的計算準確率，完整芯片的能效在低精度和高精度計算任務中分別達到50TOPS/W和5TOPS/W。

4.單片三維集成的存算一體架構及關鍵技術。

研究近存計算與存內計算融合的單片三維集成架構，高帶寬的存儲與計算層間數據流，以及硅基關鍵電路設計技術，實現堆疊3層以上、包含硅基CMOS和多種后段邏輯、存儲器件的存算一體芯片，存儲陣列規模不小于100Kb，完成復雜計算時的全系統能效大于10TOPS/W。

四、項目遴選的基本原則

圍繞核心科學問題，本重大研究計劃側重：

(一)緊密圍繞核心科學問題，鼓勵有價值的前沿探索和創新研究。

(二)優先資助能解決芯片中的實際難題、具有應用前景的研究項目。

(三)鼓勵多學科交叉研究。

(四)資助具有良好研究基礎和前期積累、對總體目標有直接貢獻的研究項目。

五、2022年度資助計劃

2022年度擬資助培育項目8項左右，資助直接費用約為80萬元/項，資助期限為3年，培育項目申請書中研究期限應填寫“2023年1月1日-2025年12月31日”;擬資助重點支持項目4項左右，資助直接費用約為300萬元/項，資助期限為4年，重點支持項目申請書中研究期限應填寫“2023年1月1日-2026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當具備以下條件：

1.具有承擔基礎研究課題的經歷;

2.具有高級專業技術職務(職稱)。

在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學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行申請。

(二)限項申請規定。

執行《2022年度國家自然科學基金項目指南》“申請規定”中限項申請規定的相關要求。

(三)申請注意事項。

申請人和依托單位應當認真閱讀并執行本項目指南、《2022年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2022年度國家自然科學基金項目申請與結題等有關事項的通告》中相關要求。

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2022年3月18日-3月20日16時。

(1)申請人應當按照科學基金網絡信息系統(以下簡稱信息系統)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問題，將對多學科相關研究進行戰略性的方向引導和優勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據本重大研究計劃擬解決的具體科學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、科學目標、研究內容、技術路線和相應的研究經費等。

(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”或“重點支持項目”，附注說明選擇“后摩爾時代新器件基礎研究”，根據申請的具體研究內容選擇相應的申請代碼。

培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。

(4)申請人在申請書“立項依據與研究內容”部分，應當首先明確說明申請符合本項目指南中的資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學問題、實現本重大研究計劃科學目標的貢獻。

如果申請人已經承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區別與聯系。

2.依托單位應當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2022年3月20日16時前通過信息系統逐項確認提交本單位電子申請書及附件材料，并于3月21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)為實現重大研究計劃總體科學目標和多學科集成，獲得資助的項目負責人應當承諾遵守相關數據和資料管理與共享的規定，項目執行過程中應關注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關系。

(2)為加強項目的學術交流，促進項目群的形成和多學科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦一次資助項目的年度學術交流會，并將不定期地組織相關領域的學術研討會。獲資助項目負責人有義務參加本重大研究計劃指導專家組和管理工作組所組織的上述學術交流活動。

(四)咨詢方式。

國家自然科學基金委員會信息科學部四處

聯系電話：010-62327351