帶你展望六大“未來式”存儲(chǔ)器的技術(shù)趨勢

　　對神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的濃厚興趣刺激人們研發(fā)出一系列全新的存儲(chǔ)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(jì)算的新興存儲(chǔ)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(jì)算的基礎(chǔ)。論文的目的是在神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(chǔ)器件包括電阻式記憶存儲(chǔ)器(ReRAM)、擴(kuò)散式憶阻器、相變存儲(chǔ)器(PCM)、非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)器。換句話說，關(guān)閉電源后存儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)器的主要競爭者。

　　ReRAM對神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)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(gè)挑戰(zhàn)。

　　根據(jù)2017年的報(bào)道，由Wei Lu領(lǐng)導(dǎo)的密歇根大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的一個(gè)小組演示了一個(gè)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(chǔ)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(tái)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(dòng)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(shí)鎖定更多相關(guān)的信息。

　　擴(kuò)散式憶阻器由嵌入到一個(gè)氧氮化硅薄膜(位于兩個(gè)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(gè)電極到達(dá)另一個(gè)電極。關(guān)掉電源后，溫度下降，銀納米粒子會(huì)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(dòng)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(jì)時(shí)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(gè)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(chǔ)器(PCM)

　　PCM是另一種高性能、非易失性存儲(chǔ)器，基于硫?qū)倩衔锊Ａ?。這種化合物有一個(gè)很重要的特性，當(dāng)它們從一相移動(dòng)到另一相時(shí)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(jì)算的研究項(xiàng)目，其中包括一個(gè)提出完整的神經(jīng)形態(tài)電路設(shè)計(jì)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(chǔ)制造廠商江蘇時(shí)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(chǔ)芯片標(biāo)準(zhǔn)