基于憶耦器實(shí)現(xiàn)非易失性邏輯門NOR

隨著摩爾定律的失效，基于半導(dǎo)體集成電路的信息技術(shù)已逐步逼近物理極限，后摩爾時(shí)代的信息技術(shù)亟待全新的范式和原理。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自問(wèn)世以來(lái)一直采用馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，即運(yùn)算器與存儲(chǔ)器分離，這種結(jié)構(gòu)使得運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸（稱為馮?諾依曼瓶頸），大大限制了計(jì)算機(jī)性能的提高；同時(shí)，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器和主存儲(chǔ)器（如DRAM）都是易失性器件，不僅在斷電后信息立即消失，而且具有較高的能耗。因此，開發(fā)新型非易性器件，采用非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器和存儲(chǔ)器合二為一（logic in memory），是未來(lái)發(fā)展高性能、低功耗、即開即用型計(jì)算機(jī)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前，憶阻器（memristor）作為一種非易失性器件，由于同時(shí)具有信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算功能，有望在未來(lái)替代半導(dǎo)體晶體管，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

圖1. 憶耦器的結(jié)構(gòu)和原理示意圖。通過(guò)施加電壓改變磁電耦合系數(shù)的狀態(tài)來(lái)寫入信息，通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)并行讀取信息。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫陽(yáng)研究員、尚大山副研究員和柴一晟副研究員等提出了另一種非易失性器件—憶耦器（memtranstor），并在單個(gè)憶耦器上分別實(shí)現(xiàn)了兩態(tài)存儲(chǔ)、多態(tài)存儲(chǔ)和布爾邏輯運(yùn)算。憶耦器是一種基于非線性磁電耦合效應(yīng)的記憶元件，源于第四種基本電路元件電耦器（transtor）。憶耦器的基本特征是其表現(xiàn)出非線性電荷-磁通回滯曲線。與憶阻器采用電阻（R = dv/di）的狀態(tài)存儲(chǔ)信息不同，憶耦器采用電耦（T = dq/dφ?，或者等效于磁電耦合系數(shù) α= dE/dH）的狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)信息。憶耦器的信息處理原理采用電寫磁讀，具有高速度、高密度、低功耗、并行讀取、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備等優(yōu)點(diǎn)。

圖2. 基于憶耦器實(shí)現(xiàn)非易失性多態(tài)存儲(chǔ)器。

孫陽(yáng)研究組的研究生申見昕、叢君狀和申世鵬等分別基于多種磁電耦合介質(zhì)制備了幾種憶耦器。他們首先在Ag/PMN-PT/Terfenol-D/Ag憶耦器中實(shí)現(xiàn)了室溫下兩態(tài)信息存儲(chǔ)，第一次演示了憶耦器作為新型非易失性存儲(chǔ)器的功能 ［以Letter形式發(fā)表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 （2016）］。在此基礎(chǔ)上，他們又在該憶耦器中實(shí)現(xiàn)了多態(tài)（4態(tài)和8態(tài)）存儲(chǔ)。常規(guī)存儲(chǔ)器每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)2種狀態(tài)（0， 1），而多態(tài)存儲(chǔ)器在每個(gè)存儲(chǔ)位上可以存儲(chǔ)2n個(gè)狀態(tài)，因而具有更高的存儲(chǔ)密度。與電阻型多態(tài)存儲(chǔ)器相比，由于電耦值可以從正到負(fù)分布，因而憶耦器具有更高的存儲(chǔ)密度和容錯(cuò)度。此后，他們采用簡(jiǎn)單金屬Ni來(lái)替代復(fù)雜貴重合金Terfenol-D （Tb0.28Dy0.72Fe1.95），制備了Ni/PMN-PT/Ni憶耦器，實(shí)現(xiàn)了非易失性兩態(tài)和多態(tài)存儲(chǔ)器。更為重要的是，他們基于單個(gè)Ni/PMN-PT/Ni憶耦器實(shí)現(xiàn)了非易失性通用邏輯門NOR和NAND。這一成果表明憶耦器與憶阻器類似，可以兼有信息存儲(chǔ)和布爾邏輯運(yùn)算的功能，因而有望用于實(shí)現(xiàn)非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的下一代計(jì)算機(jī)。此外，研究生魯佩佩等基于有機(jī)鐵電體制備出Cu/P（VDF-TrFE）/Metglas和Cu/P（VDF-TrFE）/Ni有機(jī)憶耦器，并成功實(shí)現(xiàn)了非易失性多態(tài)信息存儲(chǔ)。有機(jī)憶耦器有望在未來(lái)用于柔性可穿戴電子器件。

圖3. 基于憶耦器實(shí)現(xiàn)非易失性邏輯門NOR

這些系列研究進(jìn)展表明，憶耦器在開發(fā)下一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。與目前人們廣泛關(guān)注的憶阻器相比，憶耦器具有更低功耗和并行信息處理等優(yōu)點(diǎn)。以上研究成果分別發(fā)表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 （2016）；Phys. Rev. Applied 6， 064028 （2016）；Sci. Rep. 6， 34473 （2016）；Appl. Phys. Lett. 109， 252902 （2016）。在2016年11月于美國(guó)新奧爾良舉行的第61屆國(guó)際磁學(xué)與磁性材料大會(huì)（MMM）上，孫陽(yáng)研究組關(guān)于憶耦器的工作被評(píng)為大會(huì)最佳張貼報(bào)告獎(jiǎng)（Best Poster Award），是中國(guó)地區(qū)（包括臺(tái)灣、香港和澳門）唯一獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的工作。

圖4. 基于憶耦器實(shí)現(xiàn)非易失性邏輯門NAND。

該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的支持。

相關(guān)文章鏈接：

1. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.021001

2. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.064028

3. http://www.nature.com/articles/srep34473

4. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4972304