電子信息技術(shù)的發(fā)展，已然進(jìn)入“后摩爾”時(shí)代。進(jìn)一步縮小半導(dǎo)體器件的尺寸面臨著制備工藝和物理機(jī)理的雙重限制，國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向新原理納米信息器件。而憶阻器，一種新型無源納米信息器件，具有非易失性記憶特性，且在開關(guān)性能和工藝尺寸等多方面具有優(yōu)勢，可能成為IT技術(shù)新的物理基礎(chǔ)。
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7月3日，為期3天的2018年憶阻材料、器件和系統(tǒng)國際會(huì)議（MEMRISYS 2018）在北京國際會(huì)議中心拉開帷幕。此次大會(huì)由中國科學(xué)院微電子所劉明院士、英國南安普頓大學(xué)蒂米斯·普羅德羅馬基斯（Themis Prodromakis）教授、德國尤里希研究中心伊利亞·瓦洛夫（Ilia Valov）擔(dān)任主席，來自美國、德國、英國、韓國、日本、新加坡、芬蘭、哈薩克斯坦以及中國的憶阻器領(lǐng)域知名學(xué)者匯聚北京，分享從材料到器件、電路、系統(tǒng)直至應(yīng)用層面的先進(jìn)成果。大會(huì)共吸引了200余人報(bào)名參加，接收的稿件共117篇。
“第四種”無源電路元件
基礎(chǔ)電子學(xué)教科書列出的三個(gè)基本電路元件是：電阻器、電容器和電感器。但在1971年，美國加州大學(xué)伯克利分校蔡少棠教授在研究非線性電路理論過程中發(fā)現(xiàn)，基本電路變量之間的兩兩關(guān)系中，缺少了磁通量與電荷的直接關(guān)系。從電路變量關(guān)系的對稱性和完備性角度出發(fā)，蔡少棠推導(dǎo)了這一缺失的關(guān)系，定義了“第四種”基本無源電路元件，并將其命名為憶阻器。
蒂米斯·普羅德羅馬基斯是金屬氧化物阻變存儲(chǔ)器技術(shù)方面的著名學(xué)者。他解釋稱，簡單地講，憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻，其通過控制電流的變化可改變阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，則這種電阻就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。實(shí)際上，它就是一個(gè)有記憶功能的非線性電阻器。
存儲(chǔ)計(jì)算一體的解決方案
現(xiàn)在，憶阻器被認(rèn)為是新原理納米信息器件中具有重大發(fā)展前景的一種，它具備高集成密度、高讀寫速度、低功耗、多值計(jì)算潛力等優(yōu)勢，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究前沿與重點(diǎn)之一。
此次參加憶阻材料、器件和系統(tǒng)國際會(huì)議的專家認(rèn)為，憶阻器已在非易失性存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算、新型計(jì)算/存儲(chǔ)融合架構(gòu)計(jì)算和新型神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等方面，呈現(xiàn)出了極有潛力的應(yīng)用前景，將為IT技術(shù)發(fā)展提供新的物理基礎(chǔ)。
劉明院士曾建立了阻變存儲(chǔ)器（RRAM）物理模型，提出并實(shí)現(xiàn)高性能RRAM和集成的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方法，產(chǎn)生了重要的國際影響。此次，她立足于當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代下存儲(chǔ)和計(jì)算存在的問題和挑戰(zhàn)，給出了利用RRAM器件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)計(jì)算于一體的解決方法，并針對目前隨著摩爾定律下芯片發(fā)展速度的減慢和馮·諾依曼瓶頸（CPU和存儲(chǔ)器之間頻繁的數(shù)據(jù)傳輸造成的信息處理瓶頸）的凸顯，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算能力所面臨的挑戰(zhàn)，提出了利用RRAM器件的新的解決方案。
一個(gè)歷史機(jī)遇的出現(xiàn)
這是一個(gè)信息爆炸的大數(shù)據(jù)時(shí)代，對超高性能計(jì)算與非易失性存儲(chǔ)的需求呈爆發(fā)式增長。但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的架構(gòu)中，計(jì)算和存儲(chǔ)功能是分離的，分別由中央處理器（CPU）和存儲(chǔ)器完成。CPU和存儲(chǔ)器的速度和容量飛速提升，但傳輸數(shù)據(jù)和指令的總線速度的提升十分有限。另一方面，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)訪問速度跟不上CPU的數(shù)據(jù)處理速度，且這一差距被越拉越大，這又導(dǎo)致了存儲(chǔ)墻（Memory Wall）問題。
而憶阻器的存儲(chǔ)與計(jì)算“融合”的模式，避免了傳統(tǒng)架構(gòu)中每步都需要將計(jì)算結(jié)果通過總線傳輸?shù)絻?nèi)存或外存之中進(jìn)行存儲(chǔ)，從而有效地減小數(shù)據(jù)頻繁存取和傳輸?shù)呢?fù)荷，降低信息處理的功耗，提高信息處理的效率。
亦因此，人們將它視為“掌握著電子學(xué)新紀(jì)元的鑰匙”。與會(huì)專家認(rèn)為，憶阻器的自動(dòng)記憶能力和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性，將推動(dòng)人工智能和存算融合計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。
蒂米斯·普羅德羅馬基斯表示，憶阻器要比晶體管更小、更簡單，而且還能通過“記住”通過它們的電荷量來保留數(shù)據(jù)。它確實(shí)是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，對現(xiàn)代電子學(xué)具有潛在的巨大影響，可以應(yīng)用于云存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子、航空航天、地球資源信息、科學(xué)計(jì)算、醫(yī)學(xué)影像與生命科學(xué)等等電子信息重要領(lǐng)域。
此次大會(huì)的主辦方表示，在這個(gè)行業(yè)，中國是位于世界前列的幾個(gè)國家之一。盡管對于憶阻器的實(shí)際應(yīng)用目前還有許多技術(shù)問題有待研究，但這也正意味著一個(gè)歷史機(jī)遇的出現(xiàn)，它讓我國研究者能夠在這一領(lǐng)域未來的廣闊空間內(nèi)，大有作為。
來源：科技日報(bào)
IEEE Spectrum
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