帶你展望六大“未來(lái)式”存儲器的技術(shù)趨勢

　　對神經(jīng)形態(tài)計算的濃厚興趣刺激人們研發(fā)出一系列全新的存儲設備，這些設備可以復制生物神經(jīng)元和突觸功能。最近，一篇回顧該領(lǐng)域現狀的論文對六種最有前景的技術(shù)進(jìn)行了盤(pán)點(diǎn)和解讀。

　　這篇題為“用于神經(jīng)形態(tài)計算的新興存儲器件”的論文發(fā)表在1月份的《先進(jìn)材料技術(shù)》(Advanced Materials Technologies)上。論文中，作者闡述了擺脫晶體管和馮·諾依曼架構轉而采用與尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )更緊密結合的技術(shù)的優(yōu)勢，尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是神經(jīng)形態(tài)計算的基礎。論文的目的是在神經(jīng)形態(tài)計算中找出比CPU、GPU、DRAM和NAND等傳統設備更快、更節能的設備。

　　論文作者盤(pán)點(diǎn)和介紹的六種存儲器件包括電阻式記憶存儲器(ReRAM)、擴散式憶阻器、相變存儲器(PCM)、非易失性磁性隨機存儲器(MRAM)、鐵電場(chǎng)效應晶體管(FeFET)和突觸晶體管。下面我們具體地看一下。

　　ReRAM

　　ReRAM是基于電阻式隨機存取的一種非易失性存儲器。換句話(huà)說(shuō)，關(guān)閉電源后存儲器仍能記住數據。ReRAM可以由許多化合物制成，最常見(jiàn)的化合物是各種類(lèi)型的氧化物。據論文作者介紹，ReRAM的主要優(yōu)勢在于其可擴展性、CMOS兼容性、低功耗和電導調制效應，這些優(yōu)點(diǎn)讓ReRAM可以輕松擴展到先進(jìn)工藝節點(diǎn)，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)和供應，并且能夠滿(mǎn)足神經(jīng)形態(tài)計算等應用對能耗和速度的要求，所有這些都使ReRAM成為下一代存儲器的主要競爭者。

　　ReRAM對神經(jīng)形態(tài)計算的適用性與憶阻器根據施加電壓的歷史改變其狀態(tài)的能力有關(guān)。由于這種能力，ReRAM具有生物神經(jīng)元和突觸的時(shí)間特性和模擬特性?；赗eRAM技術(shù)的人工神經(jīng)突觸是一種非常有前途的方法，可用于在神經(jīng)形態(tài)計算中實(shí)現高密度和可縮放的突觸陣列。不過(guò)，論文作者同時(shí)也指出，讓這些憶阻器更均勻以便讓它們可靠地運行仍然是一個(gè)挑戰。

　　根據2017年的報道，由Wei Lu領(lǐng)導的密歇根大學(xué)電氣工程和計算機科學(xué)系的一個(gè)小組演示了一個(gè)神經(jīng)形態(tài)原型裝置，該裝置在交叉網(wǎng)絡(luò )中使用了排列的憶阻器。作為Crossbar的首席科學(xué)家，Lu正在幫助實(shí)現該技術(shù)的商業(yè)化。Crossbar是他在2010年與他人共同創(chuàng )立的公司，目前正在與客戶(hù)合作向市場(chǎng)推出Crossbar ReRAM解決方案。Crossbar的ReRAM技術(shù)是基于一種簡(jiǎn)單的器件結構，使用與CMOS工藝兼容的材料和標準的CMOS工藝流程。它可以很容易地在現有的CMOS晶圓廠(chǎng)中被集成和制造。并且由于是低溫、后端工藝集成，Crossbar的ReRAM能夠實(shí)現構建3D ReRAM存儲芯片。除了Crossbar外，東芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等廠(chǎng)商也在開(kāi)展ReRAM的研究和生產(chǎn)工作。在制造方面，中芯國際(SMIC)、臺積電(TSMC)和聯(lián)電(UMC)都已經(jīng)將ReRAM納入自己未來(lái)的發(fā)展線(xiàn)路圖中，格羅方德(GlobalFoundries)等其他企業(yè)對于ReRAM技術(shù)較為冷淡，正在開(kāi)展其他內存技術(shù)的研發(fā)工作。

　　擴散式憶阻器

　　擴散式憶阻器是基于一種活性金屬擴散動(dòng)力學(xué)的憶阻器，這項技術(shù)也引起了研究人員的注意。論文作者表示，擴散式憶阻器能夠利用其獨特的電導行為來(lái)模仿突觸可塑性，這一特征使他們能夠忘記較早的、短期的信息，同時(shí)鎖定更多相關(guān)的信息。

　　擴散式憶阻器由嵌入到一個(gè)氧氮化硅薄膜(位于兩個(gè)電極之間)內的銀納米粒子簇組成。薄膜是絕緣體，通電以后，熱和電共同作用使粒子簇分崩離析，銀納米粒子散開(kāi)通過(guò)薄膜并最終形成一根導電絲，讓電流從一個(gè)電極到達另一個(gè)電極。關(guān)掉電源后，溫度下降，銀納米粒子會(huì )重新排列整齊。研究人員稱(chēng)，這一過(guò)程類(lèi)似于生物突觸內鈣離子的行為，因此該設備能模擬神經(jīng)元的短期可塑性。

　　在擴散式憶阻器揭露之前，也有研究人員使用漂移式憶阻器來(lái)模擬鈣離子的動(dòng)態(tài)。不過(guò)，漂移式憶阻器是基于物理過(guò)程，不同于生物突觸，因此保真度和各種可能的突觸功能都有很大的限制。研究擴散式憶阻器的研究員認為，擴散式憶阻器幫助漂移式憶阻器產(chǎn)生了類(lèi)似真正突觸的行為，結合使用這兩種憶阻器帶來(lái)了脈沖計時(shí)相關(guān)可塑性( STDP)的天然示范，而 STDP 是長(cháng)期可塑性學(xué)習規則的重要因素。

　　將擴散式憶阻器與ReRAM配對的實(shí)驗裝置能夠實(shí)現無(wú)監督學(xué)習。這項工作由馬薩諸塞大學(xué)的一個(gè)研究小組領(lǐng)導，團隊恰好包括此篇論文的三位作者。截至目前為止，他們還沒(méi)有商業(yè)行為?；萜展径嗄陙?lái)一直熱衷于擴散式憶阻器，特別是其稱(chēng)為“機器”的概念系統。

　　相變存儲器(PCM)

　　PCM是另一種高性能、非易失性存儲器，基于硫屬化合物玻璃。這種化合物有一個(gè)很重要的特性，當它們從一相移動(dòng)到另一相時(shí)能夠改變它們的電阻。該材料的結晶相是低電阻相，而非晶相為高電阻相，通過(guò)施加或消除電流來(lái)完成相變。與基于NAND的傳統非易失性存儲器不同，PCM設備可以實(shí)現幾乎無(wú)限數量的寫(xiě)入。此外，PCM器件的優(yōu)勢還包括：訪(fǎng)問(wèn)響應時(shí)間短、字節可尋址、隨機讀寫(xiě)等，其也是諸多被稱(chēng)為能夠“改變未來(lái)”的存儲技術(shù)之一。

　　典型的GST PCM器件結構由頂部電極、晶態(tài)GST、α/晶態(tài)GST、熱絕緣體、電阻、底部電極組成。一個(gè)電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過(guò)程只影響該電阻頂端周?chē)囊恍∑瑓^域。擦除/RESET脈沖施加高電阻即邏輯0，在器件上形成一片非晶層區域。擦除/RESET脈沖比寫(xiě)/SET脈沖要高、窄和陡峭。SET脈沖用于置邏輯1，使非晶層再結晶回到結晶態(tài)。PCM器件就是利用材料的可逆變的相變來(lái)存儲信息。

　　論文作者參考了許多使用相變材料的模擬性質(zhì)進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)計算的研究項目，其中包括一個(gè)提出完整的神經(jīng)形態(tài)電路設計的項目，該項目使用PCM來(lái)模擬神經(jīng)元和突觸。

　　目前，英特爾、三星、美光科技和松下都已經(jīng)開(kāi)始PCM的布局，IBM研究院已經(jīng)推出了可以作為非易失性緩存的PCM DIMM。幾年前，IBM研究人員構建了一張PCI-Express PCM卡，可以連接到Power8服務(wù)器，并通過(guò)相干加速器處理器互連(CAPI)接口交換數據。值得注意的是，中國存儲制造廠(chǎng)商江蘇時(shí)代芯存此前也宣布將投資130億元人民幣致力于PCM的研發(fā)，已經(jīng)于2017年完成廠(chǎng)房的封頂和設備的采購，該公司認為PCM是21世紀的存儲芯片標準