用硅基芯片的“不完美”特性实现随机与模拟图像处理

传统半导体工程将晶体管的非理想特性（如噪声、电流非线性等）视为可靠性隐患，力求最小化或消除。本文反其道而行之，首次系统性地将两种长期被忽视的硅基全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）晶体管非理想特性——由沟道深能级陷阱引发的产生-复合（G-R）噪声，以及由碰撞电离引起的体电流负微分电阻（NDR）——重新定义为可利用的计算资源。研究团队在商用80纳米CMOS工艺线上制造了FD-SOI晶体管，并实验证实：其G-R噪声具有强时间相关性和可控性，是理想的随机源；其体电流NDR峰值与谷值之比高达27800，远超同类器件。通过简单调节栅极电压等偏置条件，单个晶体管即可在三种模式下工作：（1）在低栅压区（0.5–0.65 V），利用G-R噪声对输入图像进行随机扰动，实现无需外部真随机数发生器的硬件加密；（2）在中栅压区（1.0–1.7 V），电流响应高度线性且噪声极低（相对标准差<0.15%），可高保真还原原始图像；（3）在高栅压高漏压区（VGS=2.0–3.0 V, VDS=4 V），利用NDR的天然负斜率特性，直接将输入灰度值映射为反向输出，完成模拟域灰度反转。这三种功能以往需多晶体管加外围电路（如随机数发生器、模拟反相器、放大器）才能实现，而本方案将其全部集成于单个CMOS兼容器件中，大幅简化像素级电路、降低功耗与面积开销。该工作揭示了成熟硅技术中尚未被发掘的计算潜力，为下一代低功耗、易量产的类脑/随机计算系统提供了基于现有产线的可行路径。