六種最有前景的存儲(chǔ)器技術(shù)大盤點(diǎn)

對(duì)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(duì)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(shì)，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(chǎng)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(shuō)，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(jiàn)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(shì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)者。

ReRAM對(duì)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(guò)，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(chǎng)推出Crossbar ReRAM解決方案。Crossbar的ReRAM技術(shù)是基于一種簡(jiǎn)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(kāi)展ReRAM的研究和生產(chǎn)工作。在制造方面，中芯國(guó)際（SMIC）、臺(tái)積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）都已經(jīng)將ReRAM納入自己未來(lái)的發(fā)展線路圖中，格羅方德（GlobalFoundries）等其他企業(yè)對(duì)于ReRAM技術(shù)較為冷淡，正在開(kāi)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(lái)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(kāi)通過(guò)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(guò)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(lái)模擬鈣離子的動(dòng)態(tài)。不過(guò)，漂移式憶阻器是基于物理過(guò)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(lái)了脈沖計(jì)時(shí)相關(guān)可塑性（ STDP）的天然示范，而 STDP 是長(zhǎng)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(duì)的實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)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(méi)有商業(yè)行為。惠普公司多年來(lái)一直熱衷于擴(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ＡА＿@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(guò)施加或消除電流來(lái)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(wú)限數(shù)量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢(shì)還包括：訪問(wèn)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(lái)”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(guò)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(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guó)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(gòu)，該公司認(rèn)為PCM是21世紀(jì)的存儲(chǔ)芯片標(biāo)準(zhǔn)

MARM

MRAM是一種非易失性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，以磁性方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但使用電子來(lái)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(chǔ)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(wú)限次地重復(fù)寫入。

不過(guò)，當(dāng)前的MRAM存儲(chǔ)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(huì)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(jì)算領(lǐng)域，MRAM也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。MRAM存儲(chǔ)元件包括兩個(gè)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(guò)克服將磁化從一個(gè)方向切換到另一個(gè)方向所需的阻力來(lái)工作。通過(guò)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(kāi)關(guān)態(tài)的隨機(jī)性可以用來(lái)模擬突觸的隨機(jī)行為。

對(duì)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(lái)看，Everspin似乎是走得最遠(yuǎn)的。本月，該公司已經(jīng)開(kāi)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(duì)ReRAM技術(shù)較為冷淡，不過(guò)對(duì)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(lái)的產(chǎn)品計(jì)劃中。

鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFET）

FeFET存儲(chǔ)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(shí)還具有非易失性的附加優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(chǔ)存單元，號(hào)稱大幅改良了NAND閃存的性能缺點(diǎn)。不過(guò)，到現(xiàn)在十年過(guò)去了，F(xiàn)eFET距離成為主流閃存產(chǎn)品仍然還有很長(zhǎng)的路要走。

根據(jù)論文作者的說(shuō)法，F(xiàn)eFET這種類型存儲(chǔ)器的電壓可以通過(guò)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(jì)算的重要元素。FeFET的一大優(yōu)勢(shì)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(jì)算平臺(tái)中。當(dāng)然，F(xiàn)eFET沒(méi)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(duì)外表示，由于外部問(wèn)題，鐵電鉿材料的實(shí)際開(kāi)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(kāi)始了FeFET的研發(fā)，SK 海力士、Lam等也有相關(guān)的研發(fā)計(jì)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(guó)國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在突觸晶體管的研發(fā)上有著不錯(cuò)的進(jìn)展。2017年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）磁學(xué)國(guó)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(chǎng)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(guò)改變脈沖電場(chǎng)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(guò)程、短時(shí)記憶至長(zhǎng)時(shí)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(guò)，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(lái)說(shuō)，論文中提到的這些技術(shù)都有潛力來(lái)“顯著提高計(jì)算速度，同時(shí)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(shì)和劣勢(shì)。他們認(rèn)為，至少在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，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(lái)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(guò)材料科學(xué)家、設(shè)備工程師、硬件設(shè)計(jì)師、計(jì)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(duì)話，以解決神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域面臨的諸多挑戰(zhàn)?！?/p>