?憶阻器破冰!下一代高性能計算機系統(tǒng)突破存儲墻問題

在計算量和數(shù)據(jù)量變得越來越大的今天，計算和存儲成為了下一步科技發(fā)展中要面臨的兩座大山，下一代高性能計算機系統(tǒng)必須突破存儲墻問題。在過去，這兩者一直都是各自發(fā)展，再通過下游產(chǎn)品產(chǎn)生交集。但伴隨著未來器件小型化、集成度高的趨勢，使得這兩者開始融合。在這當中，存算一體技術(shù)得到了發(fā)展。

就科技發(fā)展趨勢來看，未來無人駕駛、人臉人別、智能機器人等場景，都將是存算一體技術(shù)的發(fā)展機會。目前，存算一體主要的實現(xiàn)方式有兩種，一種是基于易失性、現(xiàn)有工藝較成熟的SRAM或DRAM構(gòu)建，另一種是基于非易失性、新型存儲器件或新材料構(gòu)建。

為了提高效率，科研人員開發(fā)了各種加速部件和專用的深度學習處理器，GPU、TPU等相繼在市場內(nèi)出現(xiàn)。但由于，這些場景中的模型越來越復雜，所需要的能耗也越來越高。為了通過人工智能使模擬信號處理方式所能實現(xiàn)的計算性能和能效，與現(xiàn)在數(shù)字方法相比有較大幅度的提升，就需要利用新材料特性和集成技術(shù)，來減少數(shù)據(jù)處理電路中移動數(shù)據(jù)的需求。

在這種情況下，一種被稱為是第四種基本元件的憶阻器，進入了智能時代的視線中。據(jù)相關資料顯示，憶阻器是1971年，由加州大學伯克利分校的蔡少棠教授根據(jù)電子學理論而得，他預測到在電阻器、電容器及電感元件之外，還存在電路的第四種基本元件，即是憶阻器。

廣義憶阻器的內(nèi)涵很豐富，目前研究者們普遍采用的憶阻器概念實際上是指廣義憶阻器。阻變隨機存取存儲器( RRAM)、相變存儲器以及熱敏電阻、氣體放電燈、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變(MIT)記憶器件、自旋電子記憶器件、生物體中的離子通道等均可歸屬于憶阻器的范疇。其中，RRAM是研究較多的一種數(shù)字型憶阻器。

據(jù)相關文獻顯示，憶阻器結(jié)構(gòu)形式非常簡單，總共僅需要三層—— 兩個發(fā)送和接收電信號的電極以及之間的“存儲”層。從外部看，憶阻器看起來像一個電阻，因此具有高密度集成和低成本制造的巨大潛力。然而，不同于靜態(tài)電阻，憶阻器中的存儲層的物理參數(shù)可以通過電學刺激而重新配置，并且會形成記憶效應，其中物理參數(shù)的變化（電阻）可用于數(shù)據(jù)的存儲和處理。

基于這種架構(gòu)，2008年，惠普公司的研究人員首次做出納米憶阻器件。市場認為，納米憶阻器件的出現(xiàn)，有望實現(xiàn)非易失性隨機存儲器。至此以后，業(yè)界就掀起了憶阻器的研究熱潮。在接下來的發(fā)展中，憶阻器已在非易失性存儲、邏輯運算、新型計算/存儲融合架構(gòu)計算和新型神經(jīng)形態(tài)計算等方面，呈現(xiàn)出了極有潛力的應用前景。

憶阻器類似于生物體中的突觸，可用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究，被認為是硬件實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡突觸的最好方式。除此之外，由于憶阻的非線性性質(zhì)，可以產(chǎn)生混沌電路，也使得其在保密通信中也有很多應用。另外，更由于憶阻器具備高集成密度、高讀寫速度、低功耗、多值計算潛力等優(yōu)勢，也被視為是推動未來存算一體發(fā)展的技術(shù)之一。

但基于憶阻器存算一體技術(shù)的發(fā)展，仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，就需要靈活的NPU硬件來適應各種網(wǎng)絡。一個具有足夠靈活性的端到端(設備級到系統(tǒng)級)NPU模擬器是非常必要的。

據(jù)EETOP消息稱，在美國舊金山召開的第66屆國際固態(tài)電路會議（ISSCC 2019）上，清華大學微電子學研究所錢鶴、吳華強教授團隊報道了國際首個基于阻變存儲器（RRAM）的可重構(gòu)物理不可克隆函數(shù)（PUF）芯片設計，該芯片在可靠性、均勻性以及芯片面積上相對于之前工作都有明顯提升，且具有獨特的可重構(gòu)能力。

基于憶阻器的架構(gòu)在馮諾依曼瓶頸和摩爾定律時代之后展示了開發(fā)未來計算系統(tǒng)的巨大潛力。在泰克公司第三屆半導體材料器件表征及可靠性研究交流會上，有行業(yè)專家分享了這方面的研究成果