最新研究成果：揭秘憶阻器內部工作機制！

導讀

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家們揭示出這些模仿神經細胞記憶功能的半導體元件：憶阻器的內部工作機制，這些內部工作機制長久以來都是一直是個迷。他們的研究成果將有利於憶阻器更加高效地運轉，以及提出最小化漏電流的方案。

背景

如今，即使是最先進的超級計算機，其複雜程度也無法與人腦相提並論。

馮諾依曼體系結構的傳統計算機中，CPU與內存相互分離，存儲程序指令和數據的是內存，執行指令和處理相關數據的是CPU，數據需要在CPU和內存之間來回移動。然而，CPU運算速度增長較快，內存訪問速度增長較慢，從而帶來了速度不匹配的問題，即所謂的「馮·諾依曼瓶頸」和「內存牆」問題，限制了系統帶寬，增加了系統的功耗。相比之下，人腦則處於全方位的互聯狀態，人腦中的邏輯和記憶緊密關聯，其密度和多樣性均是現代計算機的數十億倍。

神經形態計算，也稱為腦啟發計算，擺脫了馮·諾依曼建立的計算結構，模擬大腦處理、加工信息的過程，將負責數據存儲和數據處理的元件整合到同一塊晶元中。神經形態晶元能效更高、性能更強，可以更快速、高效地學習數據。

（圖片來源：Wei Lu）

神經形態技術將是高性能計算的下一個發展階段，它能夠大幅提升數據處理能力和機器學習能力。神經形態晶元計算能力顯著提升，能耗和體積卻小了很多，它或將引領計算機微型化和人工智慧的下一階段。

昨日，筆者在《最薄的存儲器件：存儲密度高，計算能力強！》一文中提到：「憶阻器被認為是下一代神經網路和神經形態計算里最有前景的硬體單元。」

憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻，它不僅可用於存儲數據，還可以實現邏輯計算。科學家們對於憶阻器都顯示出了濃厚的研究興趣。筆者之前介紹的眾多與憶阻器相關的創新技術案例，都很好地證明了這一點。

創新

今天，筆者為大家介紹的還是有關憶阻器的創新研究進展。近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家們揭示出這些模仿神經細胞記憶功能的半導體元件憶阻器的內部工作機制，這些內部工作機制長久以來都是一直是個迷。

（圖片來源：NIST）

NIST 和加州大學聖巴巴拉分校的 Brian Hoskins 和 NIST 的科學家 Nikolai Zhitenev、Andrei Kolmakov、Jabez McClelland 等人，以及他們來自馬里蘭大學帕克分校的納米中心和羅馬尼亞布加勒斯特微技術研究所的同事們，將研究成果發表於最近的《自然通信》（Nature Communications）雜誌。

技術

一個神經細胞與另外一個神經細胞發送信號的能力，取決於細胞之間在不遠的過去進行通信的頻率，而憶阻器的電阻則取決於最近流過它的電流量。甚至在關閉電源的情況下，憶阻器仍能保持記憶。

儘管科學家們對於憶阻器顯示出了濃厚的興趣，但是他們仍然缺乏對於憶阻器工作機制的詳細理解，還沒有開發出研究憶阻器的標準工具集

近日，NIST的科學家們開發出這樣一套工具集，並使用它更加深入地探索憶阻器的工作機制。

（圖片來源：參考資料【2】）

為了探索憶阻器的電氣功能，團隊將處於不同位置緊密聚焦的電子束對準了二氧化鈦憶阻器。電子束撞擊出器件的一些電子，從而形成一幅超高銳度的圖像。電子束也催生出在器件內部流動的四個不同的電流。團隊判斷出電流與憶阻器中材料之間的多個界面相關，憶阻器是由絕緣體分隔開的兩層金屬（導電）層組成。

（圖片來源：參考資料【2】）

Hoskins 表示：「我們準確地知道每個電流是從哪裡來的，因為我們控制了催生這些電流的電子束的位置。」

在這些器件的圖像中，團隊發現了幾個暗斑（導電性強的區域），這些區域就是正常操作中電流從憶阻器中泄露出去的地方。這些泄露路徑位於憶阻器核心的外部。在核心處，憶阻器在高低電阻之間切換，這一點在電子器件中很有作用。這項發現表明，減少憶阻器的尺寸可以最小化或者甚至消除某些不需要的電流路徑。儘管，研究人員之前猜測可能就是這樣，但是他們對於器件尺寸需要減少多少，缺乏實驗指導。

因為泄露路徑非常微小，距離只有100到300納米。Hoskins 表示：「除非你能夠在那個級別上減少憶阻器的尺寸，否則你將無法開始看到一些大幅改善。」

價值

讓他們吃驚的是，團隊也發現，與憶阻器中電阻切換相關的電流一點都不是來自於活性開關材料，而是上方的金屬層。Hoskins 表示：「憶阻器研究的最重要的一課就是，你不能僅僅關注電阻開關，開關點本身，你必需關注它周圍的所有東西。團隊的研究產生出更強的直覺力，將有利於憶阻器的設計。」

他們的研究成果將有利於憶阻器更加高效地運轉，以及提出最小化漏電流的方案。

關鍵字

憶阻器、存儲技術、半導體

參考資料

【1】https://www.nist.gov/news-events/news/2018/01/thanks-memory-nist-takes-deep-look-memristors

【2】Brian D. Hoskins, Gina C. Adam, Evgheni Strelcov, Nikolai Zhitenev, Andrei Kolmakov, Dmitri B. Strukov, Jabez J. McClelland. Stateful characterization of resistive switching TiO2 with electron beam induced currents. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02116-9

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