开启电子学新纪元的钥匙

2018-07-04 09:15:50 来源: 科技日报 作者: 张梦然

开启电子学新纪元的钥匙
——忆阻器材料成IT基础研究新焦点
本报记者 张梦然

图为使用忆阻器芯片的计算系统。图片来自网络

电子信息技术的发展,已然进入“后摩尔”时代。

进一步缩小半导体器件的尺寸面临着制备工艺和物理机理的双重限制,国际学术界和产业界均将研究的重点转向新原理纳米信息器件。而忆阻器,一种新型无源纳米信息器件,具有非易失性记忆特性,且在开关性能和工艺尺寸等多方面具有优势,可能成为IT技术新的物理基础。

7月3日,为期3天的2018年忆阻材料、器件和系统国际会议(MEMRISYS 2018)在北京国际会议中心拉开帷幕。此次大会由中国科学院微电子所刘明院士、英国南安普顿大学蒂米斯·普罗德罗马基斯(Themis Prodromakis)教授、德国尤里希研究中心伊利亚·瓦洛夫(Ilia Valov)担任主席,来自美国、德国、英国、韩国、日本、新加坡、芬兰、哈萨克斯坦以及中国的忆阻器领域知名学者汇聚北京,分享从材料到器件、电路、系统直至应用层面的先进成果。大会共吸引了200余人报名参加,接收的稿件共117篇。

“第四种”无源电路元件

基础电子学教科书列出的三个基本电路元件是:电阻器、电容器和电感器。

但在1971年,美国加州大学伯克利分校蔡少棠教授在研究非线性电路理论过程中发现,基本电路变量之间的两两关系中,缺少了磁通量与电荷的直接关系。从电路变量关系的对称性和完备性角度出发,蔡少棠推导了这一缺失的关系,定义了“第四种”基本无源电路元件,并将其命名为忆阻器。

蒂米斯·普罗德罗马基斯是金属氧化物阻变存储器技术方面的著名学者。他解释称,简单地讲,忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻,其通过控制电流的变化可改变阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上,它就是一个有记忆功能的非线性电阻器。

存储计算一体的解决方案

现在,忆阻器被认为是新原理纳米信息器件中具有重大发展前景的一种,它具备高集成密度、高读写速度、低功耗、多值计算潜力等优势,是当前学术界和产业界的研究前沿与重点之一。

此次参加忆阻材料、器件和系统国际会议的专家认为,忆阻器已在非易失性存储、逻辑运算、新型计算/存储融合架构计算和新型神经形态计算等方面,呈现出了极有潜力的应用前景,将为IT技术发展提供新的物理基础。

刘明院士曾建立了阻变存储器(RRAM)物理模型,提出并实现高性能RRAM和集成的基础理论和关键技术方法,产生了重要的国际影响。此次,她立足于当前大数据时代下存储和计算存在的问题和挑战,给出了利用RRAM器件实现存储计算于一体的解决方法,并针对目前随着摩尔定律下芯片发展速度的减慢和冯·诺依曼瓶颈(CPU和存储器之间频繁的数据传输造成的信息处理瓶颈)的凸显,计算机系统计算能力所面临的挑战,提出了利用RRAM器件的新的解决方案。

一个历史机遇的出现

这是一个信息爆炸的大数据时代,对超高性能计算与非易失性存储的需求呈爆发式增长。但传统计算机采用的架构中,计算和存储功能是分离的,分别由中央处理器(CPU)和存储器完成。CPU和存储器的速度和容量飞速提升,但传输数据和指令的总线速度的提升十分有限。另一方面,存储器数据访问速度跟不上CPU的数据处理速度,且这一差距被越拉越大,这又导致了存储墙(Memory Wall)问题。

而忆阻器的存储与计算“融合”的模式,避免了传统架构中每步都需要将计算结果通过总线传输到内存或外存之中进行存储,从而有效地减小数据频繁存取和传输的负荷,降低信息处理的功耗,提高信息处理的效率。

亦因此,人们将它视为“掌握着电子学新纪元的钥匙”。与会专家认为,忆阻器的自动记忆能力和状态转换特性,将推动人工智能和存算融合计算技术的发展。

蒂米斯·普罗德罗马基斯表示,忆阻器要比晶体管更小、更简单,而且还能通过“记住”通过它们的电荷量来保留数据。它确实是一个令人兴奋的发现,对现代电子学具有潜在的巨大影响,可以应用于云存储、物联网、消费电子、航空航天、地球资源信息、科学计算、医学影像与生命科学等等电子信息重要领域。

此次大会的主办方表示,在这个行业,中国是位于世界前列的几个国家之一。尽管对于忆阻器的实际应用目前还有许多技术问题有待研究,但这也正意味着一个历史机遇的出现,它让我国研究者能够在这一领域未来的广阔空间内,大有作为。

(科技日报北京7月3日电)

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责任编辑: 夏青
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