對神經形態(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備，這些設備可以復制生物神經元和突觸功能。最近，一篇回顧該領域現(xiàn)狀的論文對六種最有前景的技術進行了盤點和解讀。

　　這篇題為“用于神經形態(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》(Advanced Materials Technologies)上。論文中，作者闡述了擺脫晶體管和馮·諾依曼架構轉而采用與尖峰神經網絡更緊密結合的技術的優(yōu)勢，尖峰神經網絡是神經形態(tài)計算的基礎。論文的目的是在神經形態(tài)計算中找出比CPU、GPU、DRAM和NAND等傳統(tǒng)設備更快、更節(jié)能的設備。

　　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、低功耗和電導調制效應，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和供應，并且能夠滿足神經形態(tài)計算等應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。由于這種能力，ReRAM具有生物神經元和突觸的時間特性和模擬特性?；赗eRAM技術的人工神經突觸是一種非常有前途的方法，可用于在神經形態(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領導的密歇根大學電氣工程和計算機科學系的一個小組演示了一個神經形態(tài)原型裝置，該裝置在交叉網絡中使用了排列的憶阻器。作為Crossbar的首席科學家，Lu正在幫助實現(xiàn)該技術的商業(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技術是基于一種簡單的器件結構，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能夠實現(xiàn)構建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的研究和生產工作。在制造方面，中芯國際(SMIC)、臺積電(TSMC)和聯(lián)電(UMC)都已經將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技術較為冷淡，正在開展其他內存技術的研發(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的憶阻器，這項技術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電絲，讓電流從一個電極到達另一個電極。關掉電源后，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鈣離子的行為，因此該設備能模擬神經元的短期可塑性。

　　在擴散式憶阻器揭露之前，也有研究人員使用漂移式憶阻器來模擬鈣離子的動態(tài)。不過，漂移式憶阻器是基于物理過程，不同于生物突觸，因此保真度和各種可能的突觸功能都有很大的限制。研究擴散式憶阻器的研究員認為，擴散式憶阻器幫助漂移式憶阻器產生了類似真正突觸的行為，結合使用這兩種憶阻器帶來了脈沖計時相關可塑性( STDP)的天然示范，而 STDP 是長期可塑性學習規(guī)則的重要因素。

　　將擴散式憶阻器與ReRAM配對的實驗裝置能夠實現(xiàn)無監(jiān)督學習。這項工作由馬薩諸塞大學的一個研究小組領導，團隊恰好包括此篇論文的三位作者。截至目前為止，他們還沒有商業(yè)行為?；萜展径嗄陙硪恢睙嶂杂跀U散式憶阻器，特別是其稱為“機器”的概念系統(tǒng)。

　　相變存儲器(PCM)

　　PCM是另一種高性能、非易失性存儲器，基于硫屬化合物玻璃。這種化合物有一個很重要的特性，當它們從一相移動到另一相時能夠改變它們的電阻。該材料的結晶相是低電阻相，而非晶相為高電阻相，通過施加或消除電流來完成相變。與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲器不同，PCM設備可以實現(xiàn)幾乎無限數(shù)量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢還包括：訪問響應時間短、字節(jié)可尋址、隨機讀寫等，其也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲技術之一。

　　典型的GST PCM器件結構由頂部電極、晶態(tài)GST、α/晶態(tài)GST、熱絕緣體、電阻、底部電極組成。一個電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過程只影響該電阻頂端周圍的一小片區(qū)域。擦除/RESET脈沖施加高電阻即邏輯0，在器件上形成一片非晶層區(qū)域。擦除/RESET脈沖比寫/SET脈沖要高、窄和陡峭。SET脈沖用于置邏輯1，使非晶層再結晶回到結晶態(tài)。PCM器件就是利用材料的可逆變的相變來存儲信息。

　　論文作者參考了許多使用相變材料的模擬性質進行神經形態(tài)計算的研究項目，其中包括一個提出完整的神經形態(tài)電路設計的項目，該項目使用PCM來模擬神經元和突觸。

　　目前，英特爾、三星、美光科技和松下都已經開始PCM的布局，IBM研究院已經推出了可以作為非易失性緩存的PCM DIMM。幾年前，IBM研究人員構建了一張PCI-Express PCM卡，可以連接到Power8服務器，并通過相干加速器處理器互連(CAPI)接口交換數(shù)據(jù)。值得注意的是，中國存儲制造廠商江蘇時代芯存此前也宣布將投資130億元人民幣致力于PCM的研發(fā)，已經于2017年完成廠房的封頂和設備的采購，該公司認為PCM是21世紀的存儲芯片標準