新存儲設備，替代DRAM和NAND

神經(jīng)形態(tài)計算是一種類(lèi)腦計算范式，一般是指在神經(jīng)形態(tài)芯片上運行脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（Spiking Neural Network，SNN）。神經(jīng)形態(tài)計算旨在通過(guò)模仿構成人腦的神經(jīng)元和突觸的機制來(lái)實(shí)現人工智能（AI）。本質(zhì)來(lái)講，神經(jīng)形態(tài)計算，是一種由算法驅動(dòng)硬件的設計范式。憑借低功耗的優(yōu)點(diǎn)，神經(jīng)形態(tài)計算也被認為是替換傳統 AI 的「潛力股」。受當前計算機無(wú)法提供的人腦認知功能的啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)設備已被廣泛研究。

近日，韓國研究人員團隊開(kāi)發(fā)了一種新的存儲設備，該設備可用于替換現有內存或用于為下一代人工智能硬件實(shí)現神經(jīng)形態(tài)計算，且其具有處理成本低和超低功耗的優(yōu)勢。

韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）4 月 4 日宣布，電氣工程學(xué)院 Shinhyun Choi 教授的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種具有超低功耗的下一代相變存儲器器件，可以取代 DRAM 和 NAND 閃存。

相變存儲器（PCM）是一種通過(guò)使用熱量將材料的晶體狀態(tài)改變?yōu)榉蔷B(tài)或結晶，從而改變其電阻狀態(tài)來(lái)存儲和/或處理信息的存儲設備。相變存儲器因其低延遲、非易失性存儲器特性和高積分密度而被認為是解決馮·諾依曼瓶頸的有前景的候選者?，F有的相變存儲器存在制造大規模器件的制造工藝成本高昂、運行功率大等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，Choi 教授的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種超低功耗相變存儲器件，通過(guò)電學(xué)形成非常小的納米級可相變絲，而無(wú)需昂貴的制造工藝。這項新開(kāi)發(fā)具有突破性的優(yōu)勢，不僅具有非常低的處理成本，而且還能夠以超低功耗運行。

DRAM 是最常用的存儲器之一，速度非?？?，但具有易失性特性，當電源關(guān)閉時(shí)，數據會(huì )消失。NAND 閃存是一種存儲設備，讀/寫(xiě)速度相對較慢，但它具有非易失性特性，即使在電源被切斷時(shí)也能保存數據。

另一方面，相變存儲器結合了 DRAM 和 NAND 閃存的優(yōu)點(diǎn)，具有高速和非易失性特性。出于這個(gè)原因，相變存儲器被強調為可以取代現有存儲器的下一代存儲器，并且作為一種模仿人腦的存儲技術(shù)或神經(jīng)形態(tài)計算技術(shù)正在被積極研究。

然而，傳統的相變存儲器件需要大量的功率才能運行，因此很難制作出實(shí)用的大容量存儲器產(chǎn)品或實(shí)現神經(jīng)形態(tài)計算系統。為了最大限度地提高存儲設備運行的熱效率，以前的研究工作側重于通過(guò)使用最先進(jìn)的光刻技術(shù)來(lái)縮小設備的物理尺寸來(lái)降低功耗，但它們在實(shí)用性方面遇到了局限性，因為功耗的改善程度很小，而制造的成本和難度隨著(zhù)每次改進(jìn)而增加。

為了解決相變存儲器的功耗問(wèn)題，Shinhyun Choi 教授的研究團隊創(chuàng )造了一種在極小面積內電化形成相變材料的方法，成功實(shí)現了超低功耗相變存儲器件，其功耗比使用昂貴的光刻工具制造的傳統相變存儲器件低 15 倍。

圖 1. 本研究開(kāi)發(fā)的超低功耗相變存儲器件的圖示，以及新開(kāi)發(fā)的相變存儲器件與傳統相變存儲器件的功耗比較

Shinhyun Choi 教授對這項研究在未來(lái)的新研究領(lǐng)域中的發(fā)展充滿(mǎn)信心，他表示：「我們開(kāi)發(fā)的相變存儲器件具有重要意義，因為它提供了一種新穎的方法來(lái)解決生產(chǎn)存儲器中長(cháng)期存在的問(wèn)題。裝置大大提高了制造成本和能源效率。我們預計我們的研究結果將成為未來(lái)電子工程的基礎，使包括高密度三維垂直存儲器和神經(jīng)形態(tài)計算系統在內的各種應用成為可能，因為它開(kāi)辟了從各種材料中進(jìn)行選擇的可能性?！?/span>

該研究由韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）電機工程學(xué)院博士生 See-On Park 和韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）電機工程學(xué)院博士生 Seokman Hong 作為第一作者參與，于 4 月 4 日發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）4 月號上。（論文題目：Phase-Change Memory via a Phase-Changeable Self-Confined Nano-Filament）

該研究得到了韓國下一代智能半導體技術(shù)開(kāi)發(fā)項目、PIM AI 半導體核心技術(shù)開(kāi)發(fā)（器件）項目、韓國國家研究基金會(huì )優(yōu)秀新興研究項目和國家納米晶圓中心半導體工藝納米醫療器件開(kāi)發(fā)項目的支持。