浙大研制新型存儲(chǔ)器：面積縮小幾十分之一

近日，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院和硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳來(lái)了喜報(bào)！他們研發(fā)出了一種低成本、低功耗的新型存儲(chǔ)器。這項(xiàng)基于可工業(yè)化生產(chǎn)的半導(dǎo)體集成電路制造工藝的工作，或?qū)⒋蠓岣邤?shù)據(jù)交換速度，為降低網(wǎng)絡(luò)芯片制造成本提供解決方案。同時(shí)，還可為數(shù)據(jù)“打上”標(biāo)簽，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)增添更多想象。

存儲(chǔ)器，顧名思義就是存儲(chǔ)信息的器件，內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器是其中特殊的一種。早期的芯片中，當(dāng)輸入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址時(shí)，需要通過(guò)大量搜索找到對(duì)應(yīng)的接口，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。這一系列“小蝌蚪找媽媽”式的匹配過(guò)程中，效率是很低的；而內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器就像讓存儲(chǔ)在其中的大量被尋找的“青蛙媽媽”喊出名字，實(shí)現(xiàn)快速的搜索與配對(duì)。

如何讓尋找這一過(guò)程的效率更高、時(shí)間更短，這是科學(xué)家們聚焦的重要問(wèn)題。

“騰出”大量空間的記憶二極管

目前被廣泛研究的憶阻器就類(lèi)似于U盤(pán)，能保存較長(zhǎng)時(shí)間，但問(wèn)題在于普通的憶阻器數(shù)據(jù)輸入輸出不分端口，所以常常信號(hào)之間會(huì)發(fā)生干擾，阻礙正常工作。如何讓電流像河流一樣單向流動(dòng)而不互相打架干擾呢？研究人員從生物的神經(jīng)突觸中尋找到靈感，希望將同樣具有單向傳遞特性的二極管與存儲(chǔ)器進(jìn)行結(jié)合。

憶阻器

那么問(wèn)題又來(lái)了，如何才能將這兩種東西完美結(jié)合呢？課題組通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，鍺這一半導(dǎo)體材料從茫茫材料中脫穎而出！他們利用鍺獨(dú)特的表面性質(zhì)，在鍺表面生長(zhǎng)憶阻器材料，形成一種新的器件，研究人員稱(chēng)之為“記憶二極管”。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙毅說(shuō)：“我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這個(gè)新器件，將原來(lái)需要一個(gè)電路才能做到的工藝，用一個(gè)器件就能實(shí)現(xiàn)其功能。使用面積縮小幾十分之一?！?/p>

可不要小看這一個(gè)改變，在我們常使用的手機(jī)等小型化電子設(shè)備中，這樣的縮小可以為其他功能的實(shí)現(xiàn)“騰出”大量空間。說(shuō)不定以后就在這些騰出的空間上發(fā)展出我們意想不到的手機(jī)功能呢！

提高上網(wǎng)速度，給數(shù)據(jù)“打標(biāo)簽”

記憶二極管實(shí)現(xiàn)了多和小，那速度問(wèn)題還沒(méi)有解決呢？

在比較擁擠的商場(chǎng)和火車(chē)站里，你是不是常常只能眼睜睜地看著手機(jī)信號(hào)從4G變成2G，卻束手無(wú)策呢？從IP地址上著手，業(yè)界已提出將傳統(tǒng)的兩個(gè)維度開(kāi)展一對(duì)一搜索和比對(duì)的“二態(tài)對(duì)比”升級(jí)為通過(guò)三個(gè)維度增強(qiáng)對(duì)比覆蓋率的“三態(tài)對(duì)比”，理論上可以加快數(shù)據(jù)流通速度，實(shí)現(xiàn)整體上網(wǎng)速度的加快。

這種加速或許對(duì)例如一個(gè)區(qū)域內(nèi)只有一兩臺(tái)手機(jī)上網(wǎng)這樣的情況無(wú)法體現(xiàn)得那么明顯，但當(dāng)人口稠密時(shí)，其優(yōu)勢(shì)就可以得到顯現(xiàn)。但是在硬件實(shí)現(xiàn)上，利用現(xiàn)有存儲(chǔ)器技術(shù)，在芯片面積方面都仍是瓶頸。趙毅介紹，“利用我們提出的這種‘記憶二極管’可以很容易實(shí)現(xiàn)三態(tài)存儲(chǔ)和對(duì)比。 ”

TCAM（三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器）的工作原理示意圖：查找數(shù)據(jù)并行輸入存儲(chǔ)器內(nèi)部后與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)匹配，并輸出匹配結(jié)果。其中，相比于傳統(tǒng)的由10個(gè)晶體管構(gòu)成的基于SRAM的核心單元，本研究中的核心單元只由兩個(gè)簡(jiǎn)單的記憶二極管構(gòu)成。

IP地址實(shí)際上就是一種標(biāo)簽，讓某個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)識(shí)別標(biāo)簽精確地傳遞到某處，但是，將如此大量的地址每個(gè)都打上標(biāo)簽，要求的成本太高啦。研制出的記憶二極管陣列構(gòu)成的三態(tài)尋址存儲(chǔ)器就可以輕松完成這一點(diǎn)，完全不用考慮成本。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)“打標(biāo)簽”，或?qū)⒆屗阉髯兊酶鼮楸憬荩蟠筇岣吡藢?duì)“大數(shù)據(jù)”的處理能力。

較為簡(jiǎn)單的構(gòu)造，大大降低的生產(chǎn)成本再配上憶阻器低能耗、可以長(zhǎng)時(shí)間保存的特性，巨大的優(yōu)勢(shì)讓科學(xué)家對(duì)他們研制的新器件在未來(lái)的應(yīng)用展開(kāi)了無(wú)限的設(shè)想。

具體研究結(jié)果將在6月份的國(guó)際超大規(guī)模集成電路峰會(huì)（2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits）上發(fā)表。該會(huì)議為集成電路領(lǐng)域的頂級(jí)國(guó)際會(huì)議，在國(guó)際集成電路學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界均享有很高的學(xué)術(shù)地位和廣泛影響。這也是浙大學(xué)者首次在Symposia on VLSI Technology and Circuits上發(fā)表論文。

該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃與國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。