盤點未來六大存儲器 誰將脫穎而出

對神經形態(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備，這些設備可以復制生物神經元和突觸功能。最近，一篇回顧該領域現(xiàn)狀的論文對六種最有前景的技術進行了盤點和解讀。

這篇題為“用于神經形態(tài)計算的新興存儲器件”的論文發(fā)表在1月份的《先進材料技術》（Advanced Materials Technologies）上。論文中，作者闡述了擺脫晶體管和馮·諾依曼架構轉而采用與尖峰神經網絡更緊密結合的技術的優(yōu)勢，尖峰神經網絡是神經形態(tài)計算的基礎。論文的目的是在神經形態(tài)計算中找出比CPU、GPU、DRAM和NAND等傳統(tǒng)設備更快、更節(jié)能的設備。

論文作者盤點和介紹的六種存儲器件包括電阻式記憶存儲器（ReRAM）、擴散式憶阻器、相變存儲器（PCM）、非易失性磁性隨機存儲器（MRAM）、鐵電場效應晶體管（FeFET）和突觸晶體管。下面我們具體地看一下。

ReRAM

ReRAM是基于電阻式隨機存取的一種非易失性存儲器。換句話說，關閉電源后存儲器仍能記住數據。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。據論文作者介紹，ReRAM的主要優(yōu)勢在于其可擴展性、CMOS兼容性、低功耗和電導調制效應，這些優(yōu)點讓ReRAM可以輕松擴展到先進工藝節(jié)點，能夠進行大批量生產和供應，并且能夠滿足神經形態(tài)計算等應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對神經形態(tài)計算的適用性與憶阻器根據施加電壓的歷史改變其狀態(tài)的能力有關。由于這種能力，ReRAM具有生物神經元和突觸的時間特性和模擬特性。基于ReRAM技術的人工神經突觸是一種非常有前途的方法，可用于在神經形態(tài)計算中實現(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行仍然是一個挑戰(zhàn)。

根據2017年的報道，由Wei Lu領導的密歇根大學電氣工程和計算機科學系的一個小組演示了一個神經形態(tài)原型裝置，該裝置在交叉網絡中使用了排列的憶阻器。作為Crossbar的首席科學家，Lu正在幫助實現(xiàn)該技術的商業(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技術是基于一種簡單的器件結構，使用與CMOS工藝兼容的材料和標準的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能夠實現(xiàn)構建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的研究和生產工作。在制造方面，中芯國際（SMIC）、臺積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）都已經將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技術較為冷淡，正在開展其他內存技術的研發(fā)工作。

擴散式憶阻器

擴散式憶阻器是基于一種活性金屬擴散動力學的憶阻器，這項技術也引起了研究人員的注意。論文作者表示，擴散式憶阻器能夠利用其獨特的電導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，同時鎖定更多相關的信息。

擴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電絲，讓電流從一個電極到達另一個電極。關掉電源后，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鈣離子的行為，因此該設備能模擬神經元的短期可塑性。

在擴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。研究擴散式憶阻器的研究員認為，擴散式憶阻器幫助漂移式憶阻器產生了類似真正突觸的行為，結合使用這兩種憶阻器帶來了脈沖計時相關可塑性（ STDP）的天然示范，而 STDP 是長期可塑性學習規(guī)則的重要因素。

將擴散式憶阻器與ReRAM配對的實驗裝置能夠實現(xiàn)無監(jiān)督學習。這項工作由馬薩諸塞大學的一個研究小組領導，團隊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散式憶阻器，特別是其稱為“機器”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，基于硫屬化合物玻璃。這種化合物有一個很重要的特性，當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設備可以實現(xiàn)幾乎無限數量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢還包括：訪問響應時間短、字節(jié)可尋址、隨機讀寫等，其也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲技術之一。

典型的GST PCM器件結構由頂部電極、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，使非晶層再結晶回到結晶態(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進行神經形態(tài)計算的研究項目，其中包括一個提出完整的神經形態(tài)電路設計的項目，該項目使用PCM來模擬神經元和突觸。

目前，英特爾、三星、美光科技和松下都已經開始PCM的布局，IBM研究院已經推出了可以作為非易失性緩存的PCM DIMM。幾年前，IBM研究人員構建了一張PCI-Express PCM卡，可以連接到Power8服務器，并通過相干加速器處理器互連（CAPI）接口交換數據。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)，已經于2017年完成廠房的封頂和設備的采購，該公司認為PCM是21世紀的存儲芯片標準。

MARM

MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器，以磁性方式存儲數據，但使用電子來讀取和寫入數據。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寫入。

不過，當前的MRAM存儲元件也有其明顯的產品短板。很多嵌入式系統(tǒng)都必須在高溫下運行，而高溫往往會損害MRAM的數據保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到進一步的提升。

在神經形態(tài)計算領域，MRAM也有著獨特的優(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現(xiàn)多種阻力狀態(tài)。這些器件中開關態(tài)的隨機性可以用來模擬突觸的隨機行為。

對于STT-MRAM的商業(yè)產品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。從商業(yè)角度來看，Everspin似乎是走得最遠的。本月，該公司已經開始向客戶提供1Gb的STT-MRAM設備。上面講到，格羅方德等公司對ReRAM技術較為冷淡，不過對MRAM卻很上心，包括格羅方德、英特爾和三星等都已經宣布將MRAM列入自己未來的產品計劃中。

鐵電場效應晶體管（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+Metal Gate(金屬柵)電極疊層技術，然后將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質。FeFET并不是一個新鮮的事物，早在2008年，日本產業(yè)技術綜合研究所與東京大學就聯(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。不過，到現(xiàn)在十年過去了，F(xiàn)eFET距離成為主流閃存產品仍然還有很長的路要走。

根據論文作者的說法，F(xiàn)eFET這種類型存儲器的電壓可以通過模擬突觸權重的方式進行調整，突觸權重是神經形態(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下標準的計算平臺中。當然，F(xiàn)eFET沒有大規(guī)模商用也是因為其還存在明顯缺點，主要是該技術還受到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，鐵電鉿材料的實際開關速度比原本預期的要慢。

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等也有相關的研發(fā)計劃。

突觸晶體管

與論文中提到的其他技術不同，突觸晶體管專門用于模擬神經元的行為。晶體管是三端子結構，包括柵極、源極和漏極。柵極使用電導將突觸權重傳遞到通道，而源極和漏極用于讀取該權重。電解質溶液用于調節(jié)通道的電導，實現(xiàn)神經形態(tài)功能的核心模擬行為。

中國國內的研究機構在突觸晶體管的研發(fā)上有著不錯的進展。2017年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）磁學國家重點實驗室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。在此基礎上，研究人員通過改變脈沖電場觸發(fā)次數、寬度、頻率和脈沖間隔，成功模擬了生物學中的神經突觸權重增強和減弱過程、短時記憶至長時記憶的轉變、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，這項技術仍處于早期研究階段，目前的實現(xiàn)方式在耐久性、速度和電解質方面都受到限制。此外，突觸晶體管從未被證明可以作為神經網絡進行連貫地工作。

總的來說，論文中提到的這些技術都有潛力來“顯著提高計算速度，同時降低功耗”。論文作者承認每種技術都有自己特定的優(yōu)勢和劣勢。他們認為，至少在可預見的未來，任何人工神經形態(tài)系統(tǒng)的實現(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：“為了使神經形態(tài)系統(tǒng)能夠自立，這些新設備技術必須突飛猛進。” “這些技術是仍然需要持續(xù)發(fā)展的領域，通過材料科學家、設備工程師、硬件設計師、計算機架構師和程序員之間的強有力合作將有助于促進跨學科對話，以解決神經形態(tài)計算領域面臨的諸多挑戰(zhàn)?！?/p>