清華大學(xué)攜手兆易創(chuàng )新于IEDM發(fā)表阻變存儲器論文

　　12月2-6日，第63屆國際電子器件大會(huì )(International Electron Devices Meeting, IEDM)在美國加州舊金山舉行，清華大學(xué)微納電子系吳華強課題組的2篇文章入選其列，分別題為“類(lèi)腦計算中阻變存儲器的氧空位分布無(wú)序效應模型(Modeling disorder effect of the oxygen vacancy distribution in filamentary analog RRAM for neuromorphic computing)”和“用于類(lèi)腦計算的阻變存儲器數據保持特性研究(Investigation of statistical retention of filamentary analog RRAM for neuromophic computing)”，這兩項工作是清華大學(xué)聯(lián)手兆易創(chuàng )新合作的研究成果，從物理機理仿真和器件可靠性?xún)煞矫娉霭l(fā)，深入探究基于阻變存儲器的類(lèi)腦計算優(yōu)化方向和方法，為創(chuàng )造出更高性能的類(lèi)腦芯片打下堅實(shí)的基礎。

　　在人工智能迅速成長(cháng)壯大的今天，傳統的“馮·諾依曼架構”體系受限于“存儲墻”，即計算速度和存儲信息傳遞速度之間巨大的鴻溝，在大規模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )計算任務(wù)執行中捉襟見(jiàn)肘，無(wú)論是速度還是功耗，它都已經(jīng)不能滿(mǎn)足人工智能高速發(fā)展的要求。至此，一種模擬人腦的運行模式，期望實(shí)現計算與存儲并行的類(lèi)腦計算應運而生。受到人腦中突觸能同時(shí)進(jìn)行記憶和計算的啟發(fā)，類(lèi)腦計算可以用阻變存儲器模擬突觸行為，通過(guò)改變阻變存儲器的阻值狀態(tài)，同時(shí)改變了其在網(wǎng)絡(luò )中的權重值，由此阻變存儲器單元同時(shí)實(shí)現存儲和計算兩種功能，極大程度地提高了芯片性能。根據該課題組2017年5月在《自然·通訊》上發(fā)表的文章，類(lèi)腦芯片可以使功耗降低為原千分之一以下。

　　圖 1 類(lèi)腦計算示意圖

　　阻變存儲器作為最具潛力的電子突觸器件，具有結構簡(jiǎn)單、操作電壓低、可大規模集成和與CMOS工藝兼容等優(yōu)勢。但是類(lèi)腦計算要求的阻變存儲器的雙向多值阻變特性微觀(guān)工作機制尚不清晰，這一問(wèn)題嚴重限制了器件進(jìn)一步的性能優(yōu)化。所謂雙向多值阻變特性指的是器件的阻值可以從高到低或從低到高連續變化?！邦?lèi)腦計算中阻變存儲器的氧空位分布無(wú)序效應模型”一文中針對氧化物阻變存儲器雙向多值阻變行為進(jìn)行深入探索，采用蒙特卡洛的仿真方法模擬氧空位主導的阻值轉變環(huán)境，提出無(wú)序度的概念量化微觀(guān)上氧空位分布引起的宏觀(guān)上阻值轉變行為。仿真結果顯示氧空位的無(wú)序分布有利于實(shí)現雙向多值阻變，這為用于類(lèi)腦計算的阻變存儲器實(shí)現電阻連續變化提供了理論支持和優(yōu)化指導。

　　有序和無(wú)序的氧空位分布對比圖

　　傳統器件和雙向連續阻變器件特性對比圖

　　阻變存儲器的數據保持能力對器件性能和工作壽命有重大的影響。雖然存儲器的數據保持能力不乏優(yōu)秀的研究成果，但是應用于類(lèi)腦計算的阻變存儲器要求的數據保持能力和傳統的存儲器有所不同，前者在計算中需要連續變化的電導，因此更關(guān)注中間態(tài)(而不僅僅是高阻態(tài)和低阻態(tài)兩個(gè)狀態(tài))的數據保持能力，而對此問(wèn)題的研究甚少?！坝糜陬?lèi)腦計算的阻變存儲器數據保持特性研究”一文中首次研究了1Kb陣列上基于導電細絲的多值阻變存儲器中間態(tài)數據保持特性的統計行為。文章通過(guò)將1024個(gè)器件單元等分為8個(gè)阻態(tài)，采用雙向調制模式設置初始阻態(tài)，然后在125℃烘烤，觀(guān)察阻變存儲器單元的多個(gè)不同的中間態(tài)在高溫下隨時(shí)間的電導分布的變化，結果顯示每個(gè)阻態(tài)電導分布呈現初態(tài)密集，隨時(shí)間逐漸展寬的對稱(chēng)分布，在觀(guān)測點(diǎn)處的分布呈現正態(tài)分布特征，且正態(tài)分布的標準差隨時(shí)間增長(cháng)，而均值保持不變。該研究成果展示了應用于類(lèi)腦計算芯片的阻變存儲器陣列的數據失效規律，也為阻變存儲器單元的多值特性的可靠性指出優(yōu)化方向。

　　清華大學(xué)吳華強課題組和兆易創(chuàng )新公司在阻變存儲器的研究上一直保持著(zhù)長(cháng)期的合作。兆易創(chuàng )新資深經(jīng)理陳鴻禹博士參與了此項研究工作并列論文共同著(zhù)者，他表示非常感謝高濱教授和趙美然同學(xué)，他們的研究成果不但對高能效的人工智能芯片提供了理論和器件基礎，也同樣對高密度阻變存儲器芯片的設計產(chǎn)生了重要的意義。在不久的將來(lái)，清華大學(xué)和兆易創(chuàng )新還將攜手開(kāi)發(fā)出更大規模的阻變存儲器陣列。