憶阻器的應(yīng)用前景

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，人類社會(huì)產(chǎn)生的信息總量開始呈爆炸式增長(zhǎng)，這給數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分析和安全帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)。存算一體化技術(shù)被提出用來(lái)解決大量運(yùn)算問(wèn)題，而在各種方法中，憶阻器（memoristor）被認(rèn)為是最有前景的方向之一。

1971 年蔡少棠教授首次提出這一概念，他發(fā)現(xiàn)電荷，磁通，電流，電壓這四種變量進(jìn)行兩兩組合，可以得到 6 種關(guān)系，對(duì)應(yīng)了人們已知的電阻，電容，電感等無(wú)源器件。然而在這些關(guān)系中，唯獨(dú)電荷與磁通之間的關(guān)系尚不明確，因此他基于這一分析預(yù)言了第四種無(wú)源器件的存在，并將其命名為憶阻器。

圖 1 四種基本的雙端電路元件[1]

2008 年惠普實(shí)驗(yàn)室首次觀測(cè)到相關(guān)現(xiàn)象，證明了蔡提出的憶阻器的存在。該團(tuán)隊(duì)在研究二氧化鈦器件時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著器件兩端電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，器件的電流特性曲線呈現(xiàn)出通過(guò)理論分析和物理建模，惠普?qǐng)F(tuán)隊(duì)將其原理總結(jié)為，器件被分成摻雜和非摻雜兩部分，當(dāng)對(duì)器件施加正電場(chǎng)時(shí)，氧離子會(huì)被電場(chǎng)吸走，留下的氧空位提高了器件導(dǎo)電性，電流變大；反之施加負(fù)電場(chǎng)時(shí)，氧離子回到摻雜一側(cè)填補(bǔ)了氧空位，導(dǎo)致器件導(dǎo)電性變差，電阻變小。

圖 2 憶阻器的物理模型及電流-電壓曲線[1]

隨著器件制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，憶阻器的各種分支也得到了廣泛的發(fā)展，按照類型可以分為鐵電憶阻器，相變憶阻器，磁控憶阻器，阻變憶阻器等。鐵電憶阻器是基于鐵電器件電疇翻轉(zhuǎn)；相變憶阻器基于材料的物理結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的阻值變化；磁控憶阻器則是基于磁疇的翻轉(zhuǎn)；阻變憶阻器基于材料內(nèi)部導(dǎo)電細(xì)絲的形成程度導(dǎo)致的阻值變化。

在憶阻器的應(yīng)用方面，也有不同的分支，主要可以分為模擬類型和數(shù)字類型。

基于模擬特性的憶阻器電路利用了器件在不同下阻值漸變的特點(diǎn)，將施加的電壓作為輸入變量，器件本身的阻值作為神經(jīng)元權(quán)重，再利用矩陣特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)乘加計(jì)算以及更復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

基于數(shù)字特性的憶阻器電路利用了，使得憶阻器在組成存儲(chǔ)器陣列的同時(shí)，完成一定的邏輯運(yùn)算，從而減少處理器從存儲(chǔ)單元中搬運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算最終再存回存儲(chǔ)單元的過(guò)程。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都將成為打破存儲(chǔ)墻瓶頸，解決功耗問(wèn)題的可行方法。

基于憶阻器搭建的存儲(chǔ)器屬于非易失性存儲(chǔ)器，類似于 FLASH 等，相比于傳統(tǒng)的易失性存儲(chǔ)器，如 SRAM，DRAM 等，有著保持時(shí)間長(zhǎng)，下電不丟失數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。而與 FLASH等非易失性存儲(chǔ)器相比，憶阻器又具有更快的讀寫速度和更低的讀寫功耗。在主要的憶阻器類型中，MRAM 在存儲(chǔ)可靠性上有較大的優(yōu)勢(shì)，但是其缺點(diǎn)是在制備材料上涉及了磁性物質(zhì)，制備工藝與 CMOS 較難兼容。PCRAM 與 MRAM 類似，也是受限于工藝問(wèn)題，發(fā)展方向更偏向與閃存競(jìng)爭(zhēng)。RRAM 則在工藝方面有著天然的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于其高讀寫速度和低功耗，被認(rèn)為有望替代 SRAM，但受限于器件翻轉(zhuǎn)機(jī)制，在可靠性上還不能滿足要求。

基于憶阻器的芯片被認(rèn)為在 AI 推理，邊緣計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等方面有重大潛力，國(guó)外芯片巨頭在憶阻器方面早已開始布局。

在 PCRAM 方面，Intel 和意法半導(dǎo)體聯(lián)合投資的 Numonyx 公司，在 2010 年就推出了128M PCRAM 存儲(chǔ)芯片 Omneo P5Q。該公司目前仍是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，并致力于推動(dòng)相變存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

在 MRAM 方面，飛思卡爾于 2006 年生產(chǎn)了 4Mb 容量的 MRAM 芯片，此后英特爾、三星、海力士等各大公司相繼加速布局。2014 年，東芝在國(guó)際會(huì)議上宣布使用 MRAM 替代SRAM，可以降低 60%功耗。2017 年，海力士將 MRAM 的存儲(chǔ)容量提高到了 4GB。2022 年，三星展示了首個(gè)基于 MRAM 搭建的 AI 平臺(tái)，在手寫數(shù)字識(shí)別準(zhǔn)確率上高達(dá) 98%，這意味著憶阻器成功邁入到低功耗人工智能芯片領(lǐng)域。

近幾年，國(guó)內(nèi)也有很多公司入場(chǎng)憶阻器領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)深耕憶阻器方面的公司有：

憶鑄科技

成立于 2020 年，是目前國(guó)內(nèi)唯一能夠自主設(shè)計(jì)并量產(chǎn)基于 ReRAM 全數(shù)字存算一體的大算力 AI 芯片公司。億鑄科技基于 ReRAM 存算一體的技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了從 IP 到工藝的全國(guó)產(chǎn)化，在中芯國(guó)際和昕原半導(dǎo)體等均有成熟可量產(chǎn)的配套工藝制程。

后摩智能

成立于 2020 年，由吳強(qiáng)博士與多位國(guó)際頂尖學(xué)者和工業(yè)界專家聯(lián)合組建，致力于突破智能計(jì)算芯片性能及功耗瓶頸，提供大算力、低功耗的芯片及解決方案。目前該公司已經(jīng)推出了基于 SRAM 的智能計(jì)算芯片，并在繼續(xù)研發(fā)先進(jìn)工藝下的基于 RRAM 的第二代芯片。

閃易半導(dǎo)體

公司成立于 2017 年，基于隧穿型憶阻器制備出了第一款 SoC 芯片 HEXA01，能支持多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以廣泛應(yīng)用于家電和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能控制。通過(guò)將閃易半導(dǎo)體獨(dú)有的存算一體化技術(shù)和類腦計(jì)算結(jié)合，“基于混合器件的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算架構(gòu)及芯片研究”項(xiàng)目有望為更強(qiáng)大的人工智能提供算力基礎(chǔ)。

隨著工藝進(jìn)步和算法發(fā)展，憶阻器技術(shù)正在逐漸變得成熟，并且有望在人工智能等高性能計(jì)算方面，以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等低功耗計(jì)算方面推動(dòng)芯片技術(shù)的下一次革命。

審核編輯：湯梓紅