馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代計算機(jī)的基礎(chǔ)。在該架構(gòu)中，計算機(jī)的計算和存儲功能分別由中央處理器和存儲器獨(dú)立完成，而它們之間的通信要通過總線來進(jìn)行。隨著AI極速發(fā)展，芯片算力呈爆發(fā)式增長，當(dāng)執(zhí)行這種以大數(shù)據(jù)為核心的計算任務(wù)時，數(shù)據(jù)需要在計算單元和存儲單元之間來回搬移，導(dǎo)致總線擁擠，訪問存儲單元的速度遠(yuǎn)低于計算單元的運(yùn)算速度，使系統(tǒng)面臨著能耗高、速度慢等問題。為實(shí)現(xiàn)更為有效的數(shù)據(jù)運(yùn)算和更大的數(shù)據(jù)吞吐量，“存算一體”被認(rèn)為是未來計算芯片的架構(gòu)趨勢，而作為該架構(gòu)的核心元件憶阻器及其相關(guān)材料也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

（來源：網(wǎng)絡(luò)）

憶阻器存算一體技術(shù)

存算一體架構(gòu)，即是將傳統(tǒng)以計算為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構(gòu)，把數(shù)據(jù)存儲和計算功能集成在同一芯片上，使得在處理以大數(shù)據(jù)為核心的任務(wù)時，可以在能效和速度上較“馮·諾依曼架構(gòu)”實(shí)現(xiàn)幾個數(shù)量級的提升。而憶阻器能夠通過電流控制其阻值，并在斷電后仍能保持之前的阻值狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對電路中信息的記憶。利用這一特性，憶阻器可以在同一芯片上集成存儲和計算能力，完美契合了存算一體架構(gòu)的需求。

傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)與憶阻器存算一體架構(gòu)區(qū)別（來源：EETOP）

憶阻器的分類及材料選擇

憶阻器通常由金屬-介質(zhì)-金屬的夾層結(jié)構(gòu)組成，包含2層電極和1層憶阻功能層，為了實(shí)現(xiàn)憶阻器的功能，所選用的憶阻器材料必須滿足以下基本條件：高的電阻比，良好的均勻性以及相匹配的成熟制造工藝和設(shè)備。目前，憶阻器主要有阻變隨機(jī)存儲器（RRAN）、相變存儲器（PCM）、磁隨機(jī)存儲器（MRAM）和鐵電存儲器四種，他們所采用的材料不同，工作原理也不盡相同。

1.阻變隨機(jī)存儲器（RRAN）

阻變隨機(jī)存儲器的阻變機(jī)理依賴于阻變介質(zhì)中導(dǎo)電通道的形成與斷裂，即利用偏壓變化在介質(zhì)中產(chǎn)生導(dǎo)電細(xì)絲(SET,高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，寫“1”)或使導(dǎo)電細(xì)絲破裂(RESET,低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，寫“0”)來實(shí)現(xiàn)信息的寫入，依靠測量電阻的大小來實(shí)現(xiàn)信息的讀取目前研究較多的阻變隨機(jī)存儲器有氧空位通道型阻變器件以及金屬通道型阻變器件。前者的阻變過程依賴于介質(zhì)層內(nèi)形成的氧空位導(dǎo)電細(xì)絲，其阻變特性與氧離子遷移密切相關(guān)，目前這種憶阻器的中間層介質(zhì)多為絕緣的過渡族金屬氧化物，如氧化鉿(HfO_x)和氧化鉭(TaO_x)等。而后者結(jié)構(gòu)通常包括活潑電極（Ag或Cu等），阻變介質(zhì)層（固態(tài)電解質(zhì)，也可以是氧化物材料）和惰性電極3個部分，與前者不同，其阻變特性主要依靠電極電離出來的金屬陽離子移動而實(shí)現(xiàn)：在正壓激勵下，活潑電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬陽離子。這些陽離子在電場作用下漂移通過阻變介質(zhì)層，在惰性電極附近還原為金屬原子并逐漸堆積，直至形成連接兩端電極的金屬橋（導(dǎo)電細(xì)絲），器件被設(shè)置到低阻態(tài)。而在相反電壓激勵下，金屬橋發(fā)生電化學(xué)溶解，器件重置（reset）為高阻態(tài)。

金屬通道型阻變器件的阻變原理（來源：參考文獻(xiàn)1）

與傳統(tǒng)的存儲器相比，阻變隨機(jī)存儲器具有高速度、低功耗、較高的耐久性以及非易失特性，但是其物理機(jī)理基于缺陷理論，阻變過程很難控制，導(dǎo)致器件一致性差，對其器件結(jié)構(gòu)、集成工藝技術(shù)和電路設(shè)計技術(shù)等提出了挑戰(zhàn)。

2.相變存儲器

相變存儲器（PCM）是相對成熟的非易失性存儲技術(shù)之一，其工作機(jī)理主要依靠如Ge₂Sb₂Te₅(GST）等相變材料，這類材料在溫度達(dá)到一定高度時，晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生轉(zhuǎn)變，從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉庆o態(tài)，即相變。由于這種相變過程是可逆的，且其在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的電阻有很大差異（在非晶態(tài)下呈現(xiàn)高阻態(tài)，在晶態(tài)下呈低阻態(tài)），因此可以通過施加特定電壓脈沖產(chǎn)生的焦耳熱使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，通過緩慢冷卻使其重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲及讀取。

相變存儲器及其R-V特性（來源：參考文獻(xiàn)3）

目前盡管PCM研究已經(jīng)較為成熟，但在復(fù)位過程中通常會遇到需要大電流的問題，即通過將相變材料熔化為非晶態(tài)的過程需要較大的能耗，這為其在大規(guī)模集成等能源敏感應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

3.磁隨機(jī)存儲器（MRAM）

磁隨機(jī)存儲器是由上下兩個由鐵磁材料構(gòu)成的磁性層以及中間的超薄絕緣材料（1-2nm）構(gòu)成的隧穿層構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)。這2個磁性層中，一個是參考磁層，具有固定的磁化方向，而另一個是自由層，可以在2種方向之間切換，因此上下兩個磁性層的平行和反平行態(tài)在隧穿磁阻效應(yīng)下能夠表現(xiàn)出低電阻Rp和高電阻Rap兩種狀態(tài)。

磁效應(yīng)憶阻器的結(jié)構(gòu)及其R-V特性（來源：參考文獻(xiàn)3）

目前最成功的一類MRAM為自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁隨機(jī)存儲器（STT-MRAM），其利用可自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)可改變自由層的磁化方向，當(dāng)電子從參考層流向自由層時，電子自旋會在參考層中發(fā)生極化，隨后自旋角動量轉(zhuǎn)移到自由層，使得自由層與參考層磁化方向相同，此時MTJ處于低阻狀態(tài)；相反則自旋方向與自由層相反的電子會被固定層反射回自由層，從而使得自由層與參考層磁化方向相反，此時MTJ處于高阻狀態(tài)。

由于除了其本身具備優(yōu)秀的非易失性能，還具有快速的寫入和讀取速度，與CMOS后道工藝（back-end-of-line，BEOL）兼容和優(yōu)秀的高密度集成能力，STT-MRAM被認(rèn)為是下一代通用存儲器技術(shù)的最有力競爭者之一，不過隨著集成密度的升高，磁隧道結(jié)器件關(guān)鍵尺寸不斷縮小，STT-MRAM寫入時較高的電流密度對勢壘層的損傷和引起數(shù)據(jù)存儲可靠性的問題亟待解決。

4.鐵電存儲器

鐵電存儲器通常在兩個電極板中沉淀了一層PZT (鋯鈦酸鉛)、HfO₂（二氧化鉿）等晶態(tài)鐵電晶體薄膜，依靠外加電場改變這些鐵電材料的極化狀態(tài)，可以引起器件電阻值的變化。以PZT材料為例，鋯(Zr) 或鈦(Ti)離子在晶格中占據(jù)兩個穩(wěn)定位置，但由于兩個穩(wěn)定位置都偏離電荷中心，因此在鐵電材料中會出現(xiàn)兩個相反方向的極化。當(dāng)在沒有外加電場的情況下，A位的鉛（Pb）離子、B位的鋯（Zr）和鈦（Ti）離子以及氧（O）離子之間的不對稱配位環(huán)境，導(dǎo)致材料內(nèi)部存在一個凈電偶極矩，而會發(fā)生自發(fā)極化。而當(dāng)外加電場超過一定閾值時，PZT中的電偶極子將會重新排列，使材料的總體極化方向發(fā)生改變。因此，在PZT鐵電存儲器中，可通過施加正向或負(fù)向的電場使材料中的電偶極子朝向相反的方向重新排列，而改變器件電阻值。

基于PZT薄膜的鐵電存儲器結(jié)構(gòu)及原理（來源：eenewseurope）

不過，值得注意的是，盡管PZT具有良好的鐵電性能，但在長期使用過程中，特別是在頻繁的極化反轉(zhuǎn)過程中，材料由于反復(fù)的極化反轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷或裂紋，導(dǎo)致經(jīng)歷所謂的“疲勞”效應(yīng)，即鐵電性能逐漸下降。

參考文獻(xiàn)：

1、江之行,席悅,唐建石,等.憶阻器及其存算一體應(yīng)用研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報.

2、Semi Connect，《阻變存儲器ReRAM》.

3、AI科技大本營，《基于新型憶阻器的存內(nèi)計算原理、研究和挑戰(zhàn)》

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