帶你展望六大“未來式”存儲器的技術趨勢

　　MARM

　　MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器，以磁性方式存儲數(shù)據(jù)，但使用電子來讀取和寫入數(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)隨機存儲器(SRAM)的高速讀取、寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。

　　不過，當前的MRAM存儲元件也有其明顯的產(chǎn)品短板。很多嵌入式系統(tǒng)都必須在高溫下運行，而高溫往往會損害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一步的提升。

　　在神經(jīng)形態(tài)計算領域，MRAM也有著獨特的優(yōu)勢。MRAM存儲元件包括兩個鐵磁層，由自由層和固定層組成，中間夾著非磁性氧化層。MRAM通過克服將磁化從一個方向切換到另一個方向所需的阻力來工作。通過在自由層中加入域壁可以實現(xiàn)多種阻力狀態(tài)。這些器件中開關態(tài)的隨機性可以用來模擬突觸的隨機行為。

　　對于STT-MRAM的商業(yè)產(chǎn)品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。從商業(yè)角度來看，Everspin似乎是走得最遠的。本月，該公司已經(jīng)開始向客戶提供1Gb的STT-MRAM設備。上面講到，格羅方德等公司對ReRAM技術較為冷淡，不過對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列入自己未來的產(chǎn)品計劃中。

　　鐵電場效應晶體管(FeFET)

　　FeFET存儲器使用的鐵電材料，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一樣，它可以在低功耗下提供高性能，同時還具有非易失性的附加優(yōu)勢，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，然后將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質(zhì)。FeFET并不是一個新鮮的事物，早在2008年，日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所與東京大學就聯(lián)合宣布研發(fā)出FeFET的NAND閃存儲存單元，號稱大幅改良了NAND閃存的性能缺點。不過，到現(xiàn)在十年過去了，F(xiàn)eFET距離成為主流閃存產(chǎn)品仍然還有很長的路要走。

　　根據(jù)論文作者的說法，F(xiàn)eFET這種類型存儲器的電壓可以通過模擬突觸權重的方式進行調(diào)整，突觸權重是神經(jīng)形態(tài)計算的重要元素。FeFET的一大優(yōu)勢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下標準的計算平臺中。當然，F(xiàn)eFET沒有大規(guī)模商用也是因為其還存在明顯缺點，主要是該技術還受到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及其它公司都對外表示，由于外部問題，鐵電鉿材料的實際開關速度比原本預期的要慢。

　　在商用層面，F(xiàn)raunhofer、格羅方德和NaMLab從2009年就開始了FeFET的研發(fā)，SK 海力士、Lam等也有相關的研發(fā)計劃。

　　突觸晶體管

　　與論文中提到的其他技術不同，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。柵極使用電導將突觸權重傳遞到通道，而源極和漏極用于讀取該權重。電解質(zhì)溶液用于調(diào)節(jié)通道的電導，實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)功能的核心模擬行為。

　　中國國內(nèi)的研究機構(gòu)在突觸晶體管的研發(fā)上有著不錯的進展。2017年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室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，施加電場在二維材料間隙層中注入氫離子，實現(xiàn)了α-MoO3溝道電阻在低能耗條件下的多態(tài)可逆變化。在此基礎上，研究人員通過改變脈沖電場觸發(fā)次數(shù)、寬度、頻率和脈沖間隔，成功模擬了生物學中的神經(jīng)突觸權重增強和減弱過程、短時記憶至長時記憶的轉(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，這項技術仍處于早期研究階段，目前的實現(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)絡進行連貫地工作。

　　總的來說，論文中提到的這些技術都有潛力來“顯著提高計算速度，同時降低功耗”。論文作者承認每種技術都有自己特定的優(yōu)勢和劣勢。他們認為，至少在可預見的未來，任何人工神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的實現(xiàn)仍然必須依賴CMOS電路來作為外圍組件。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，這些新設備技術必須突飛猛進。這些技術是仍然需要持續(xù)發(fā)展的領域，通過材料科學家、設備工程師、硬件設計師、計算機架構(gòu)師和程序員之間的強有力合作將有助于促進跨學科對話，以解決神經(jīng)形態(tài)計算領域面臨的諸多挑戰(zhàn)?！?/p>