帶你展望六大“未來(lái)式”存儲(chǔ)器的技術(shù)趨勢(shì)

　　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(xiě)入數(shù)據(jù)。磁性特征提供非易失性，電子讀寫(xiě)提供速度。MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的高速讀取、寫(xiě)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(xiě)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(mén)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(xiě)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>