纳米线传感器来了

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
相关论文信息:
E 线访谈
上海交通大学网络信息中心计算部主任林新华
探索校级超算更合理的运转模式
■本报记者 赵广立
近日,上海交通大学网络信息中心 新一代超算系统 π2.0 实现了“点亮”(装 机后实现开机运行)。升级后,该中心超 算整机计算性能超过 2PFlop(s 每秒千万 亿次浮点计算),实现了近 10 倍的提升。
5 月 31 日,该中心计算部主任林新 华接受了《中国科学报》专访,就校级超 算中心的运维、服务能力建设、后备超算 人才培养等话题进行了分享。
超算升级让师生有更多“获得感”
《中国科学报》:你曾分享过一件非 常有意思的事:一位物理系老师写的一 个计算程序,在没有任何源代码改动的 情 况下 ,在 π2.0 上的 测 试 显 示 ,单 节 点性能提高 4.5 倍,跨节点性能提升 4. 7 倍,几乎是无缝接入实现性能提升。 这是个例还是对所有计算程序都适用?
林新华:我认为不是个例,我们最近 又测了 3 个计算程序,分别是天文、海洋 和材料基因组方面的计算需求,得到了 和之前类似的结果,因此认为很可能会 兼容所有程序实现这样的性能提升。
《中国科学报》:这背后的支撑因素 是什么?
林新华:CPU 性能的提升。我们这 次 升 级 选 用 的 是 英 特 尔 Cascade Lake6248,同此前的 CPU 相比,它的主 频、分配的内存带宽等指标几乎不变,但 核 数 增 加 了— — —以 前 是 8 核 ,Cascade Lake6248 是 20 核。同样的程序,在其他 条件不变的情况下,一下获得了计算上 的扩展。就好比还是原来那些东西,搬到 “新家”之后,空间一下子变大了。
前代超算“退而不休”
《中国科学报》:π2.“0 点亮”之后,意 味着 π1.0 即将“退居二线”。π1.0“服 役”多久?
林新华:π1.0 是 2012 年开始酝酿, 2013 年 4 月 1 日正式“点亮”,到 2018 年 底这台机器已经运行了 5 年左右。按照 国际标准,一般超算服役 4 年半可以“退 休”。π1.0 此前升级过一次,包括几次小 规模的升级,所以最后这半年还能用。不 过,整体性能的确下降得厉害,所以在 2018 年我们酝酿建设 π2.0。
日前,大连理工大学电信学部教授 黄辉团队发明了无漏电流“纳米线桥接 生长技术”,解决了纳米线器件的排列组 装、电极接触及材料稳定性问题,研制出 高可靠性、低功耗及高灵敏度的 GaN 纳 米线气体传感器,该传感器可推广至生 物检测以及应力应变检测等,相关研究 成果发表于《纳米快报》。
微纳传感有个“坎”
然而,传感器特别是微纳传感器的 发展速度,远远滞后于 IC 的发展水平。 黄辉认为,微纳传感器、传感芯片将是继 IC 产业之后的另一大产业。
黄辉介绍,目前广泛应用的最小的 传感器是 MEMS 传感器。
MEMS 传感器(微机电系统)是采 用微电子和微机械加工技术制造出来 的新型传感器。其内部结构一般在微米 甚至纳米量级,是一个独立的智能系 统。与传统的传感器相比,它具有体积 小 、重 量 轻 、成 本 低 、功 耗 低 、可 靠 性 高 、适 于 批 量 化 生 产 、易 于 集 成 和 实 现 智能化的特点。同时,微米量级的特征 尺寸使它具备某些传统机械传感器所 没有的功能。
据悉,GaN 材料是第三代半导体,具 有优异的稳定性和生物兼容性,可耐高 温、抗氧化、耐酸碱腐蚀,适用于严酷环 境下液体和气体样品的检测。“实验证明 在氢氟酸环境下腐蚀 48 小时,也未对 GaN 纳米线电阻产生影响,其应用领域 非常广泛。”黄辉说。
在此基础上,团队研制出了集成纳 米线气体传感器— ——GaN 纳米线气体传 感器。经检测,该传感器可在室温下工 作,8 个月电阻变化率 <0.8%,且 NO2 检 测限为 0.5ppb,具有高稳定性、低功耗以 及高灵敏度等特点。
《中国科学报》:很多人不喜欢“搬 家”, “搬家”一次要更改很多东西。
林新华:这是因为,体系结构发生变 化后,许多计算程序要去改动源代码,去 重新兼容计算架构,这对于老师们而言 是一种负担。但我们的升级就好比你什 么都不用搬动,人来了马上可以住,而且 “地方”比原来“宽敞”好几倍。
《中国科学报》:用户 可 能更 看 重
信息技术
2019 年 6 月 6 日 星期四
主编 / 赵广立 编辑 / 田瑞颖 校对 / 何工劳 Tel:(010)62580722 E-mail押glzhao@stimes.cn
7
人工智能、可穿戴装备、物联网等信 息技术的发展,需要海量的传感器提供 支持,大数据和云计算等业务也需要各 种传感器实时采集信号来支撑。但目前 的传感器存在国产化率低、产品偏低端、 技术创新薄弱、生产工艺落后等问题。
美国密歇根大学电子和计算机工程 系主任 Khalil Najaf 表示,以前传感器需 要三大组件:电子器件、无线组网系统、 无线网络系统。未来,传感器和传感器应 用无处不在,当它们组合成网络后,便可 以通过微纳传感器,在很小的环境中达 成更好的传感器网络。
“可能仅仅 1 毫米就可以装载数百 万个传感器,这样的设备能够提供微型 的芯片,准时、及时、准确地监测数据,这 将帮助我们在当前不同的能源系统中发 挥作用。”Khalil Najaf 说。
黄辉表示,团队下一步将着力研制 功耗更低、体积更小的 GaN 纳米线气体 传感器,并尝试制成传感芯片。“最理想 的情况是与集成电路芯片做在一起,感 知、控制、处理信号完美结合,得到更广 泛的应用。”
对此,忻向军指出:“传感芯片具有 很好的发展前景和巨大潜力。传感芯片 技术一旦成熟,应迅速推广,抢占先机。”
林新华:超算比一般电脑快很多,当 然用起来是很复杂的,需要很多专业知 识。但不是每个需要它的人都要搞得很 清楚。我们的理念就是要有一个好的团 队,专门做超算平台的建设和运维,帮助 师生做定制化开发、优化程序。这样我们 就不是单纯地提供计算资源,还要提供 计算上的支持。
《中国科学报》:这样的人才好找吗? 林新华:我们的团队以自主培养为 主。我 2012 年从计算机系来到网络中 心,之前在计算机系的 7 年一直在做高 性能计算方向。从系里调到中心的时 候 ,我 向 学 校 提 出 ,来 中 心 管 理 超 算 的 同时,继续带学生做一些相关的研究, 得到了学校的批准。当时单纯想让自己 的研究工作有一定延续,现在发现,这 对超算中心的管理、运维乃至后备人才 培养,都很有帮助。 《中国科学报》:你们有一支十几人 组成的团队在做这些事。你们是怎么分 工的? 林新华:14 人。其中 1/3 做系统运 维,1/3 做用户支持,还有 1/3 帮助用户 去改代码。最后这 1/3 一般自己还会带 学生去做。学生会做一些课题,帮助需要 计算的老师们做程序优化等等,我们的
林新华
学生对超算中心也有很多贡献。 《中国科学报》:既服务了用户,又锻
炼了队伍。 林新华:可以说是一举三得。除了你
说的,对学校也是有好处的。学校超算的 机时是固定的,如果程序算得慢,通过我 们的优化能算得更快了,就相当于帮助 学校省钱了。
另外,我们培养出来的学生确实很有 特色:既懂硬件、性能,又对应用了解。有一 个重要的风向标,人工智能快要热起来的 那两年,我突然发现我们的学生几乎全跑 到公司工作了。商汤科技有个异构计算部 门,据说一半都是我们的学生。后来我和这 个部门的主管聊后,他说一般高校院所出 来的学生,毕业后就能“上手”的很少“,你 们这里的来了就能用”。
但是,纳米线器件的实用化还面临 一系列问题。北京邮电大学电子工程学 院教授忻向军向《中国科学报》介绍:“纳 米线的材料生长和器件制备是分开的, 需要经过剥离、转移、排列定位以及镀膜 等步骤,工艺复杂而且会损伤和污染纳 米线。”
此外,纳米线难以操控,很难对其进
Leabharlann Baidu
“无漏电流”纳米线桥接生长方案
行排列定位。“而且纳米线与金属电极的 接触面积非常小,因此,电极接触电阻比 纳米线自身的电阻高出近两个数量 级。”忻向军说。
纳米线传感器来了 传感芯片还会远吗
■本报见习记者 辛雨
“ 微纳传感器属于颠覆性技术,蕴含巨大的市场空 间。近年来,微纳传感器已成为政府及社会资本投资的 热点领域之一。
近年来,半导体集成电路(IC)的迅 猛发展,推动了物联网和人工智能产业 的兴起。“如果把 IC 比作人的大脑(处理 信息),传感器则相当于人的感知器官 (获取信息)。”黄辉告诉《中国科学报》, “IC 和传感器是相互依存的。”
忻向军表示,该技术首次获得了“无 漏 电 流 ”GaN 桥 接 纳 米 线 , 研 制 出 的 GaN 纳米线气体传感器将推动传感芯片 的发展。
传感芯片即将到来
微纳传感器属于颠覆性技术,蕴含 巨大的市场空间。近年来,微纳传感器已 成为政府及社会资本投资的热点领域之 一。“微纳传感器与物联网、5G 的发展关 系密切,在手机、汽车、医疗和消费领域 得到广泛应用,它的发展形势一片大 好。”忻向军说。
为此,黄辉团队仔细研究了纳米线 桥接生长中的寄生沉积效应,发明了一 种桥接生长方法,结合气流遮挡效应与
表面钝化效应,解决寄生沉积问题。研究 人员采用新的刻槽方案和凹槽结构,避 免了凹槽底部的寄生沉积,实现了纳米 线的无漏电流桥接生长。
黄辉告诉记者:“采用 GaN 缓冲层, 通过调节纳米线的生长条件,如气流、催 化剂、温度梯度等,可改变纳米线生长位 置、方向、直径以及长度,从 GaN 纳米 线、纳米针至微米柱,实现纳米线的可控 生长。”
这个。 林新华:是的,我觉得这是升级到
π2.0 之后,最让老师们得到“获得感”的 地方。
一举三得的超算中心运维模式
《中国科学报》:高校超算中心要怎 么管?怎么建?你们有什么经验?
林新华:过去几年(2012~2018)我们 一直在探索适合国内校级超算中心的运 维体系。
《中国科学报》:你在校级超算建设 方面有个“开飞机理论”:如果个人电脑 好比是汽车,那么超算就好比飞机,不需 要每个人都会开,只需要飞行员开得好, 让更多人搭乘,这其中“飞行员”是关键。
“而与 MEMS 器件相比,半导体纳 米线的尺度缩小了 1000 倍,面积缩小 了 100 万倍。因此,纳米线才是最小的 器件,也是微纳传感器的理想选择。” 黄辉说。
相较于传统材料和薄膜材料,半导 体纳米线具有许多独特优势:大比表面 积可以提高器件的灵敏度;易于形变可 以提升材料的集成能力;纳米级的导光 和导电通道可以制作单根纳米线电子器 件。此外,纳米线优异的机械性能以及灵 活多样的结构,使其具有优异的柔韧性, 可形成芯包层和交叉网格结构。
纳米线传感器“长”出来了
为解决纳米线排列定位难、电极接 触面积小等一系列问题,2004 年,惠普公 司与加州大学合作发明了一种“纳米线 桥接生长技术”。通过在 SOI 衬底上刻蚀 凹槽,纳米线从凹槽一侧开始生长并与 另一侧对接,从而可以在凹槽侧边台面 上制备金属电极。
黄辉表示,这种通过“生长”使纳米
《中国科学报》:一般来讲,超算中心 或网络中心,能吸引很多学生,还是很少 见的。
林新华:的确。网络中心或超算中心 一旦与院系脱节之后,就难以吸引学生。 我们学校有这样的环境和政策,有些机 缘巧合。
我们也会请一些一线专家给学生 上课,以讲座的形式讲一些课堂之外新 的东西。比如会分享一些工具的最新版
本,讲解怎么用。很多学生很感兴趣。
黄辉供图
线和侧壁融为一体的方案,避免了在纳 米线表面制备金属电极,使电极接触电 阻降低了两个数量级、噪声降低了三个 数量级。此外,无需排列定位纳米线,简 化了制备工艺,消除了纳米线的表面污 染和损伤。
然而,惠普公司的纳米线桥接生长 方案并未获得推广。因为,该方法生长纳 米线过程中,通常会在凹槽底部沉积一 层多晶膜(寄生沉积层),该寄生沉积层 会产生较大旁路电流(即漏电流),极大 劣化了纳米线器件的性能。
《中国科学报》“:退役”的 π1.0 将作 何用?
林新华:π1.0 还在用,其实它们就 在同一个机房里,被一个玻璃板隔 开— ——事 实 上 它 们 都 是 由 浪 潮 部 署 的 。 未来 π1.0 和 π2.0 会并行应用一段时 间,之后它还有好几种发挥余热的途径: 一种是开放给学生教学用 (上海交大有 计算化学、计算物理学、计算材料学等专 业),一种是作为应用代码的测试环境, 另外还有一些其他用途,可以把 π1.0 继 续利用起来。
相关文档
最新文档