六種最有前景的存儲器技術(shù)大盤點(diǎn)

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(shè)備，這些設(shè)備可以復(fù)制生物神經(jīng)元和突觸功能。最近，一篇回顧該領(lǐng)域現(xiàn)狀的論文對六種最有前景的技術(shù)進(jìn)行了盤點(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(gòu)轉(zhuǎn)而采用與尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更緊密結(jié)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(chǔ)。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(tǒng)設(shè)備更快、更節(jié)能的設(shè)備。

論文作者盤點(diǎn)和介紹的六種存儲器件包括電阻式記憶存儲器（ReRAM）、擴(kuò)散式憶阻器、相變存儲器（PCM）、非易失性磁性隨機(jī)存儲器（MRAM）、鐵電場效應(yīng)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(jī)存取的一種非易失性存儲器。換句話說，關(guān)閉電源后存儲器仍能記住數(shù)據(jù)。ReRAM可以由許多化合物制成，最常見的化合物是各種類型的氧化物。據(jù)論文作者介紹，ReRAM的主要優(yōu)勢在于其可擴(kuò)展性、CMOS兼容性、低功耗和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這些優(yōu)點(diǎn)讓ReRAM可以輕松擴(kuò)展到先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)和供應(yīng)，并且能夠滿足神經(jīng)形態(tài)計算等應(yīng)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(jù)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(xiàn)高密度和可縮放的突觸陣列。不過，論文作者同時也指出，讓這些憶阻器更均勻以便讓它們可靠地運(yùn)行仍然是一個挑戰(zhàn)。

根據(jù)2017年的報道，由Wei Lu領(lǐng)導(dǎo)的密歇根大學(xué)電氣工程和計算機(jī)科學(xué)系的一個小組演示了一個神經(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(xiàn)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，目前正在與客戶合作向市場推出Crossbar ReRAM解決方案。Crossbar的ReRAM技術(shù)是基于一種簡單的器件結(jié)構(gòu)，使用與CMOS工藝兼容的材料和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝流程。它可以很容易地在現(xiàn)有的CMOS晶圓廠中被集成和制造。并且由于是低溫、后端工藝集成，Crossbar的ReRAM能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建3D ReRAM存儲芯片。除了Crossbar外，東芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等廠商也在開展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納入自己未來的發(fā)展線路圖中，格羅方德（GlobalFoundries）等其他企業(yè)對于ReRAM技術(shù)較為冷淡，正在開展其他內(nèi)存技術(shù)的研發(fā)工作。

擴(kuò)散式憶阻器

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

擴(kuò)散式憶阻器由嵌入到一個氧氮化硅薄膜（位于兩個電極之間）內(nèi)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，銀納米粒子散開通過薄膜并最終形成一根導(dǎo)電絲，讓電流從一個電極到達(dá)另一個電極。關(guān)掉電源后，溫度下降，銀納米粒子會重新排列整齊。研究人員稱，這一過程類似于生物突觸內(nèi)鈣離子的行為，因此該設(shè)備能模擬神經(jīng)元的短期可塑性。

在擴(kuò)散式憶阻器揭露之前，也有研究人員使用漂移式憶阻器來模擬鈣離子的動態(tài)。不過，漂移式憶阻器是基于物理過程，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(kuò)散式憶阻器的研究員認(rèn)為，擴(kuò)散式憶阻器幫助漂移式憶阻器產(chǎn)生了類似真正突觸的行為，結(jié)合使用這兩種憶阻器帶來了脈沖計時相關(guān)可塑性（ STDP）的天然示范，而 STDP 是長期可塑性學(xué)習(xí)規(guī)則的重要因素。

將擴(kuò)散式憶阻器與ReRAM配對的實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無監(jiān)督學(xué)習(xí)。這項(xiàng)工作由馬薩諸塞大學(xué)的一個研究小組領(lǐng)導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)恰好包括此篇論文的三位作者。截至目前為止，他們還沒有商業(yè)行為?；萜展径嗄陙硪恢睙嶂杂跀U(kuò)散式憶阻器，特別是其稱為“機(jī)器”的概念系統(tǒng)。

相變存儲器（PCM）

PCM是另一種高性能、非易失性存儲器，基于硫?qū)倩衔锊ＡА＿@種化合物有一個很重要的特性，當(dāng)它們從一相移動到另一相時能夠改變它們的電阻。該材料的結(jié)晶相是低電阻相，而非晶相為高電阻相，通過施加或消除電流來完成相變。與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲器不同，PCM設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)幾乎無限數(shù)量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢還包括：訪問響應(yīng)時間短、字節(jié)可尋址、隨機(jī)讀寫等，其也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲技術(shù)之一。

典型的GST PCM器件結(jié)構(gòu)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。一個電阻連接在GST層的下方。加熱／熔化過程只影響該電阻頂端周圍的一小片區(qū)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(qū)域。擦除／RESET脈沖比寫／SET脈沖要高、窄和陡峭。SET脈沖用于置邏輯1，使非晶層再結(jié)晶回到結(jié)晶態(tài)。PCM器件就是利用材料的可逆變的相變來存儲信息。

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(xiàng)目，其中包括一個提出完整的神經(jīng)形態(tài)電路設(shè)計的項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用PCM來模擬神經(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(gòu)建了一張PCI－Express PCM卡，可以連接到Power8服務(wù)器，并通過相干加速器處理器互連（CAPI）接口交換數(shù)據(jù)。值得注意的是，中國存儲制造廠商江蘇時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年完成廠房的封頂和設(shè)備的采購，該公司認(rèn)為PCM是21世紀(jì)的存儲芯片標(biāo)準(zhǔn)

MARM

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

不過，當(dāng)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(tǒng)都必須在高溫下運(yùn)行，而高溫往往會損害MRAM的數(shù)據(jù)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也有著獨(dú)特的優(yōu)勢。MRAM存儲元件包括兩個鐵磁層，由自由層和固定層組成，中間夾著非磁性氧化層。MRAM通過克服將磁化從一個方向切換到另一個方向所需的阻力來工作。通過在自由層中加入域壁可以實(shí)現(xiàn)多種阻力狀態(tài)。這些器件中開關(guān)態(tài)的隨機(jī)性可以用來模擬突觸的隨機(jī)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)角度來看，Everspin似乎是走得最遠(yuǎn)的。本月，該公司已經(jīng)開始向客戶提供1Gb的STT－MRAM設(shè)備。上面講到，格羅方德等公司對ReRAM技術(shù)較為冷淡，不過對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列入自己未來的產(chǎn)品計劃中。

鐵電場效應(yīng)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，同時還具有非易失性的附加優(yōu)勢，F(xiàn)eFET有望成為新一代閃存器件。

FeFET主要原理是在現(xiàn)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，號稱大幅改良了NAND閃存的性能缺點(diǎn)。不過，到現(xiàn)在十年過去了，F(xiàn)eFET距離成為主流閃存產(chǎn)品仍然還有很長的路要走。

根據(jù)論文作者的說法，F(xiàn)eFET這種類型存儲器的電壓可以通過模擬突觸權(quán)重的方式進(jìn)行調(diào)整，突觸權(quán)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(tǒng)的CMOS兼容，因此更容易集成到當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)的計算平臺中。當(dāng)然，F(xiàn)eFET沒有大規(guī)模商用也是因?yàn)槠溥€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，由于外部問題，鐵電鉿材料的實(shí)際開關(guān)速度比原本預(yù)期的要慢。

在商用層面，F(xiàn)raunhofer、格羅方德和NaMLab從2009年就開始了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，突觸晶體管專門用于模擬神經(jīng)元的行為。晶體管是三端子結(jié)構(gòu)，包括柵極、源極和漏極。柵極使用電導(dǎo)將突觸權(quán)重傳遞到通道，而源極和漏極用于讀取該權(quán)重。電解質(zhì)溶液用于調(diào)節(jié)通道的電導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)功能的核心模擬行為。

中國國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在突觸晶體管的研發(fā)上有著不錯的進(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(yàn)室（籌）磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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，施加電場在二維材料間隙層中注入氫離子，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，研究人員通過改變脈沖電場觸發(fā)次數(shù)、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(quán)重增強(qiáng)和減弱過程、短時記憶至長時記憶的轉(zhuǎn)變、激發(fā)頻率依賴可塑性（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，這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期研究階段，目前的實(shí)現(xiàn)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。

總的來說，論文中提到的這些技術(shù)都有潛力來“顯著提高計算速度，同時降低功耗”。論文作者承認(rèn)每種技術(shù)都有自己特定的優(yōu)勢和劣勢。他們認(rèn)為，至少在可預(yù)見的未來，任何人工神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍然必須依賴CMOS電路來作為外圍組件。作者在論文中這樣寫道：“為了使神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)能夠自立，這些新設(shè)備技術(shù)必須突飛猛進(jìn)。這些技術(shù)是仍然需要持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)域，通過材料科學(xué)家、設(shè)備工程師、硬件設(shè)計師、計算機(jī)架構(gòu)師和程序員之間的強(qiáng)有力合作將有助于促進(jìn)跨學(xué)科對話，以解決神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域面臨的諸多挑戰(zhàn)?！?/p>