對神經(jīng)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(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)進行了盤點和解讀。
這篇題為“用于神經(jīng)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(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)計算的基礎(chǔ)。論文的目的是在神經(jīng)形態(tài)計算中找出比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(yīng)晶體管（FeFET）和突觸晶體管。下面我們具體地看一下。
ReRAM
ReRAM是基于電阻式隨機存取的一種非易失性存儲器。換句話說，關(guān)閉電源后存儲器仍能記住數(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)勢在于其可擴展性、CMOS兼容性、低功耗和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，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(chǎn)和供應(yīng)，并且能夠滿足神經(jīng)形態(tài)計算等應(yīng)用對能耗和速度的要求，所有這些都使ReRAM成為下一代存儲器的主要競爭者。
ReRAM對神經(jīng)形態(tài)計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)元和突觸的時間特性和模擬特性。基于ReRAM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(jù)2017年的報道，由Wei Lu領(lǐng)導(dǎo)的密歇根大學(xué)電氣工程和計算機科學(xué)系的一個小組演示了一個神經(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?qū)崿F(xiàn)構(gòu)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(chǎn)工作。在制造方面，中芯國際（SMIC）、臺積電（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(xué)的憶阻器，這項技術(shù)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(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，同時鎖定更多相關(guān)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(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，讓電流從一個電極到達另一個電極。關(guān)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(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。
