随着物联网（IoT）技术的迅猛发展，大量感知节点正在产生大量数据，这给数据传输带宽和处理这些数据所需的计算硬件带来了相当大的负担。近传感计算（NSC）架构将传感器、存储器和计算内核等多个功能模块集成到一个混合系统中，因此成为充分降低数据处理延迟和能耗的一种有前途的模式。研究人员报道了一种计算型互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS）架构，该架构将可编程卷积核与 CIS 芯片集成在一起，实现了低功耗图像边缘提取。索尼公司也开发了一种三层 CIS 芯片，通过硅通孔（TSV）连接垂直堆叠的像素、动态随机存取存储器（DRAM）和 CMOS 逻辑，实现了显著更高的帧速率。然而，这些解决方案通常受到可用芯片面积或TSV 密度的限制。更吸引人的架构是通过超密集层间通孔（ILV）连接不同功能层的单片三维集成（M3D），与 TSV 相比，ILV 间距更小，可实现超高片上数据带宽（高达 ~104 Tb/s）和原位数据处理。

　　来自清华大学的学者展示了光传感器阵列、模拟计算内存（CIM）和硅互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路的单片三维（M3D）集成，命名为 M3D-SAIL。这种方法利用高带宽片上数据传输和大规模并行 CIM 内核来实现高能效 NSC 架构。Si CMOS 电路的第一层是控制逻辑和外围电路。第二层包括一个 1k 位一晶体管一电阻（1T1R）阵列，内含 InGaZnOx 场效应晶体管（IGZO-FET）和用于模拟 CIM 的电阻随机存取存储器（RRAM）。第三层由多个基于 IGZO-FET 的光传感器阵列组成，用于波长相关的光学传感。对每一层的结构完整性和功能进行了全面验证。此外，在典型的视频关键帧提取任务中，利用 M3D-SAIL 架构实现了 NSC，分类准确率高达 96.7%，能耗比二维架构低 31.5 倍，计算速度快 1.91 倍。相关文章以“Monolithic 3D IntegratIon of Analog RRAM-based Computing-in-Memory and Sensor for Energy-Efficient Near-Sensor Computing”标题发表在Advanced Materials。

　　图 3. 1k 位模拟 RRAM/IGZO-FET 1T1R 阵列的特性。a, 具有 128 个 WL 和 8 个 BL 的 1k 位阵列的俯视显微镜图像。b, 1k 位 1T1R 阵列的 HRS和 LRS 分布，显示出大于 10 倍的存储窗口。c, 阵列级映射，通过设置/复位脉冲编程显示芯片名称 “M3D-SAIL”。d, 对阵列上32 个平均分布式电导状态进行多位编程。e, 对超过 108 个读取周期的八个代表性状态进行读取干扰测量。f 和 g，在 125℃ 烘烤条件下，进行了 106 个周期的耐久性测量，保持时间大于 104秒，显示出极佳的稳定性。

　　图 4.基于 IGZO-FET 的光传感器层的特性。a，背栅 IGZO-FET 的三维结构示意图和芯片上 3×3 光传感器阵列的假色 SEM 图像。b，基于IGZO-FET 的光传感器在暗光和 650 纳米（红）、532纳米（绿）和 405 纳米（蓝）可见光照射下的特性。对于激活的单元，使用 VGS = -1 V，而对于未选择的单元，则使用较低的 VGS 来切断电流。

　　图 5.M3D-SAIL 实现的 NSC 视频关键帧提取 a. M3D-SAIL 实现的视频关键帧提取任务示意图。大量数据（实时视频帧）由光传感器生成，然后通过 ILV 传输到使用 ResNet18 执行图像预处理的片上 CIM 计算内核。b, ChokePoint 数据集上 GPU 和 M3D-SAIL 的精确度和相对能效。c, 相对能耗和延迟基准，显示 M3D-SAIL 芯片的能耗比二维芯片低 31.5 倍，计算速度快 1.91 倍。

　　总之，本研究通过垂直堆叠基于IGZO-FET 的光传感器阵列、基于模拟 RRAM/IGZO-FET 的 CIM 阵列和基于硅的 CMOS 逻辑电路，成功证明了所提出的 M3D-SAIL 芯片的可行性，从而实现了高能效 NSC。每个功能层都经过精心设计和鉴定，以证明 M3D 架构的可行性。通过 ALD 制造出了高均匀性 IGZO-FET，实现了 Ion/Ioff107 的大导通/关断比和 μn≈18 cm2/V·s 的高迁移率。此外，本研究还对 1k 位 CIM 阵列进行了阵列级测量，结果表明，该阵列具有出色的模拟开关特性，可对 32 个电导级别进行多位编程，耐久性超过 106 个周期。采用射频溅射 IGZO-FET 的光传感器阵列对不同波长和强度的可见光照明也显示出更强的光电响应。此外，M3D-SAIL 芯片还成功实现了视频关键帧提取任务，其 GPU 等效精度达到 96.7%，同时能耗比二维芯片低 31.5 倍，速度快 1.91 倍。这项研究表明，M3D-SAIL 架构在高能效 NSC 方面具有巨大的潜力和计算优势，可促进下一代物联网技术的发展。（文：SSC）