帶你展望六大“未來(lái)式”存儲器的技術(shù)趨勢

　　MARM

　　MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器，以磁性方式存儲數據，但使用電子來(lái)讀取和寫(xiě)入數據。磁性特征提供非易失性，電子讀寫(xiě)提供速度。MRAM擁有靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的高速讀取、寫(xiě)入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無(wú)限次地重復寫(xiě)入。

　　不過(guò)，當前的MRAM存儲元件也有其明顯的產(chǎn)品短板。很多嵌入式系統都必須在高溫下運行，而高溫往往會(huì )損害MRAM的數據保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到進(jìn)一步的提升。

　　在神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域，MRAM也有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。MRAM存儲元件包括兩個(gè)鐵磁層，由自由層和固定層組成，中間夾著(zhù)非磁性氧化層。MRAM通過(guò)克服將磁化從一個(gè)方向切換到另一個(gè)方向所需的阻力來(lái)工作。通過(guò)在自由層中加入域壁可以實(shí)現多種阻力狀態(tài)。這些器件中開(kāi)關(guān)態(tài)的隨機性可以用來(lái)模擬突觸的隨機行為。

　　對于STT-MRAM的商業(yè)產(chǎn)品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。從商業(yè)角度來(lái)看，Everspin似乎是走得最遠的。本月，該公司已經(jīng)開(kāi)始向客戶(hù)提供1Gb的STT-MRAM設備。上面講到，格羅方德等公司對ReRAM技術(shù)較為冷淡，不過(guò)對MRAM卻很上心，包括格羅方德、英特爾和三星等都已經(jīng)宣布將MRAM列入自己未來(lái)的產(chǎn)品計劃中。

　　鐵電場(chǎng)效應晶體管(FeFET)

　　FeFET存儲器使用的鐵電材料，可以在兩種極化狀態(tài)之間快速切換。與論文里面提到的其他技術(shù)一樣，它可以在低功耗下提供高性能，同時(shí)還具有非易失性的附加優(yōu)勢，FeFET有望成為新一代閃存器件。

　　FeFET主要原理是在現有的邏輯晶體管上采用基于氧化鉿基的High-K(高K)柵電介質(zhì)+Metal Gate(金屬柵)電極疊層技術(shù)，然后將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質(zhì)。FeFET并不是一個(gè)新鮮的事物，早在2008年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與東京大學(xué)就聯(lián)合宣布研發(fā)出FeFET的NAND閃存儲存單元，號稱(chēng)大幅改良了NAND閃存的性能缺點(diǎn)。不過(guò)，到現在十年過(guò)去了，FeFET距離成為主流閃存產(chǎn)品仍然還有很長(cháng)的路要走。

　　根據論文作者的說(shuō)法，FeFET這種類(lèi)型存儲器的電壓可以通過(guò)模擬突觸權重的方式進(jìn)行調整，突觸權重是神經(jīng)形態(tài)計算的重要元素。FeFET的一大優(yōu)勢是一些鐵電化合物能夠與傳統的CMOS兼容，因此更容易集成到當下標準的計算平臺中。當然，FeFET沒(méi)有大規模商用也是因為其還存在明顯缺點(diǎn)，主要是該技術(shù)還受到DRAM的一些限制，包括伸縮性、泄漏和可靠性等方面都有待提升。IEDM的一篇論文指出，SK 海力士、Lam及其它公司都對外表示，由于外部問(wèn)題，鐵電鉿材料的實(shí)際開(kāi)關(guān)速度比原本預期的要慢。

　　在商用層面，Fraunhofer、格羅方德和NaMLab從2009年就開(kāi)始了FeFET的研發(fā)，SK 海力士、Lam等也有相關(guān)的研發(fā)計劃。

　　突觸晶體管

　　與論文中提到的其他技術(shù)不同，突觸晶體管專(zhuān)門(mén)用于模擬神經(jīng)元的行為。晶體管是三端子結構，包括柵極、源極和漏極。柵極使用電導將突觸權重傳遞到通道，而源極和漏極用于讀取該權重。電解質(zhì)溶液用于調節通道的電導，實(shí)現神經(jīng)形態(tài)功能的核心模擬行為。

　　中國國內的研究機構在突觸晶體管的研發(fā)上有著(zhù)不錯的進(jìn)展。2017年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗室(籌)磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室M06采用二維材料α-MoO3單晶薄片作為溝道材料制備了一種三端阻變器件，利用離子液體作為柵極，施加電場(chǎng)在二維材料間隙層中注入氫離子，實(shí)現了α-MoO3溝道電阻在低能耗條件下的多態(tài)可逆變化。在此基礎上，研究人員通過(guò)改變脈沖電場(chǎng)觸發(fā)次數、寬度、頻率和脈沖間隔，成功模擬了生物學(xué)中的神經(jīng)突觸權重增強和減弱過(guò)程、短時(shí)記憶至長(cháng)時(shí)記憶的轉變、激發(fā)頻率依賴(lài)可塑性(SRDP)和STDP等行為。

　　論文作者指出，突觸晶體管擁有“卓越的性能”，甚至可能比生物等效物更好。不過(guò)，這項技術(shù)仍處于早期研究階段，目前的實(shí)現方式在耐久性、速度和電解質(zhì)方面都受到限制。此外，突觸晶體管從未被證明可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連貫地工作。

　　總的來(lái)說(shuō)，論文中提到的這些技術(shù)都有潛力來(lái)“顯著(zhù)提高計算速度，同時(shí)降低功耗”。論文作者承認每種技術(shù)都有自己特定的優(yōu)勢和劣勢。他們認為，至少在可預見(jiàn)的未來(lái)，任何人工神經(jīng)形態(tài)系統的實(shí)現仍然必須依賴(lài)CMOS電路來(lái)作為外圍組件。作者在論文中這樣寫(xiě)道：“為了使神經(jīng)形態(tài)系統能夠自立，這些新設備技術(shù)必須突飛猛進(jìn)。這些技術(shù)是仍然需要持續發(fā)展的領(lǐng)域，通過(guò)材料科學(xué)家、設備工程師、硬件設計師、計算機架構師和程序員之間的強有力合作將有助于促進(jìn)跨學(xué)科對話(huà)，以解決神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域面臨的諸多挑戰?！?/p>