馮諾依曼體系結構是現代計算機的基礎。在該架構中，計算機的計算和存儲功能分別由中央處理器和存儲器獨立完成，而它們之間的通信要通過總線來進行。隨著AI極速發展，芯片算力呈爆發式增長，當執行這種以大數據為核心的計算任務時，數據需要在計算單元和存儲單元之間來回搬移，導致總線擁擠，訪問存儲單元的速度遠低于計算單元的運算速度，使系統面臨著能耗高、速度慢等問題。為實現更為有效的數據運算和更大的數據吞吐量，“存算一體”被認為是未來計算芯片的架構趨勢，而作為該架構的核心元件憶阻器及其相關材料也展現出了巨大的應用前景。

（來源：網絡）

憶阻器存算一體技術

存算一體架構，即是將傳統以計算為中心的架構轉變為以數據為中心的架構，把數據存儲和計算功能集成在同一芯片上，使得在處理以大數據為核心的任務時，可以在能效和速度上較“馮·諾依曼架構”實現幾個數量級的提升。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，實現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的需求。

傳統馮諾依曼架構與憶阻器存算一體架構區別（來源：EETOP）

憶阻器的分類及材料選擇

憶阻器通常由金屬-介質-金屬的夾層結構組成，包含2層電極和1層憶阻功能層，為了實現憶阻器的功能，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備。目前，憶阻器主要有阻變隨機存儲器（RRAN）、相變存儲器（PCM）、磁隨機存儲器（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.阻變隨機存儲器（RRAN）

阻變隨機存儲器的阻變機理依賴于阻變介質中導電通道的形成與斷裂，即利用偏壓變化在介質中產生導電細絲(SET,高阻態變為低阻態，寫“1”)或使導電細絲破裂(RESET,低阻態變為高阻態，寫“0”)來實現信息的寫入，依靠測量電阻的大小來實現信息的讀取目前研究較多的阻變隨機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層內形成的氧空位導電細絲，其阻變特性與氧離子遷移密切相關，目前這種憶阻器的中間層介質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。而后者結構通常包括活潑電極（Ag或Cu等），阻變介質層（固態電解質，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現：在正壓激勵下，活潑電極發生電化學反應，產生金屬陽離子。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（導電細絲），器件被設置到低阻態。而在相反電壓激勵下，金屬橋發生電化學溶解，器件重置（reset）為高阻態。

金屬通道型阻變器件的阻變原理（來源：參考文獻1）

與傳統的存儲器相比，阻變隨機存儲器具有高速度、低功耗、較高的耐久性以及非易失特性，但是其物理機理基于缺陷理論，阻變過程很難控制，導致器件一致性差，對其器件結構、集成工藝技術和電路設計技術等提出了挑戰。

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之一，其工作機理主要依靠如Ge₂Sb₂Te₅(GST）等相變材料，這類材料在溫度達到一定高度時，晶體結構會發生轉變，從晶態轉變為非靜態，即相變。由于這種相變過程是可逆的，且其在晶態和非晶態之間的電阻有很大差異（在非晶態下呈現高阻態，在晶態下呈低阻態），因此可以通過施加特定電壓脈沖產生的焦耳熱使其轉變為非晶態，通過緩慢冷卻使其重新轉變為晶態，而實現對數據的存儲及讀取。

相變存儲器及其R-V特性（來源：參考文獻3）

目前盡管PCM研究已經較為成熟，但在復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的過程需要較大的能耗，這為其在大規模集成等能源敏感應用中的廣泛應用帶來了挑戰。

3.磁隨機存儲器（MRAM）

磁隨機存儲器是由上下兩個由鐵磁材料構成的磁性層以及中間的超薄絕緣材料（1-2nm）構成的隧穿層構成的三明治結構。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在隧穿磁阻效應下能夠表現出低電阻Rp和高電阻Rap兩種狀態。

磁效應憶阻器的結構及其R-V特性（來源：參考文獻3）

目前最成功的一類MRAM為自旋轉移扭矩磁隨機存儲器（STT-MRAM），其利用可自旋轉移力矩效應可改變自由層的磁化方向，當電子從參考層流向自由層時，電子自旋會在參考層中發生極化，隨后自旋角動量轉移到自由層，使得自由層與參考層磁化方向相同，此時MTJ處于低阻狀態；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。

由于除了其本身具備優秀的非易失性能，還具有快速的寫入和讀取速度，與CMOS后道工藝（back-end-of-line，BEOL）兼容和優秀的高密度集成能力，STT-MRAM被認為是下一代通用存儲器技術的最有力競爭者之一，不過隨著集成密度的升高，磁隧道結器件關鍵尺寸不斷縮小，STT-MRAM寫入時較高的電流密度對勢壘層的損傷和引起數據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，可以引起器件電阻值的變化。以PZT材料為例，鋯(Zr) 或鈦(Ti)離子在晶格中占據兩個穩定位置，但由于兩個穩定位置都偏離電荷中心，因此在鐵電材料中會出現兩個相反方向的極化。當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境，導致材料內部存在一個凈電偶極矩，而會發生自發極化。而當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生改變。因此，在PZT鐵電存儲器中，可通過施加正向或負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構及原理（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過程中，材料由于反復的極化反轉可能導致材料內部產生缺陷或裂紋，導致經歷所謂的“疲勞”效應，即鐵電性能逐漸下降。

參考文獻：

1、江之行,席悅,唐建石,等.憶阻器及其存算一體應用研究進展[J].科技導報.

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計算原理、研究和挑戰》

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