電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)是現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，這些技術(shù)的飛速發(fā)展拉動(dòng)了對(duì)高性能計(jì)算和存儲(chǔ)的需求。在這些背景下，憶阻器獨(dú)特的性能展現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用前景。

憶阻器的全稱是記憶電阻器，是一種表示磁通和電荷關(guān)系的電路元件。通過(guò)測(cè)定憶阻的阻值，可知道流經(jīng)它的電荷量，從而有記憶電荷的作用。憶阻器可以組成類似矩陣的結(jié)構(gòu)，既可以存數(shù)據(jù)，也可以做計(jì)算，數(shù)據(jù)不再需要搬來(lái)搬去，可以大大降低存算所帶來(lái)的消耗。

憶阻器為計(jì)算帶來(lái)新未來(lái)

我們可以簡(jiǎn)單地把憶阻器理解成一種具有記憶功能的非線性電阻，通過(guò)控制電流的變化可改變其阻值，記憶電荷的特性可以利用來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。這種器件最早在1971年被推斷出應(yīng)該在自然界中存在，后續(xù)被證實(shí)。記憶電阻器也被認(rèn)為是繼電阻、電容、電感之后的第四種電路基本元件。

高性能、高密度的計(jì)算是與存儲(chǔ)系統(tǒng)密切相關(guān)的，處理器和內(nèi)存之間的性能差距是制約計(jì)算能力的一大瓶頸。在目前所有各類存儲(chǔ)器件中，憶阻器是一種非常適合存算一體應(yīng)用的器件，其非易失性、多電導(dǎo)水平、低能耗、快速切換、可擴(kuò)展性以及適用于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的特點(diǎn)，都很契合現(xiàn)在的需要。

當(dāng)然，目前的憶阻器件仍舊存在成品率低和性能不可靠的問(wèn)題，不過(guò)憶阻器的技術(shù)進(jìn)步?jīng)]有停止。去年TetraMem實(shí)現(xiàn)了將數(shù)千個(gè)導(dǎo)電水平的憶阻器集成在CMOS上，突破性的在CMOS技術(shù)上成功實(shí)現(xiàn)了高密度、多水平的憶阻器集成。

該成果在完全集成芯片中實(shí)現(xiàn)了2048個(gè)可區(qū)分的電導(dǎo)等級(jí)，能夠?yàn)榇鎯?chǔ)和計(jì)算任務(wù)提供更高的性能和能效，將憶阻器的落地推進(jìn)了一大步。

清華大學(xué)也曾官宣了在支持片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片領(lǐng)域取得重大突破，研制出了全球首顆全系統(tǒng)集成的、支持高效片上學(xué)習(xí)的憶阻器存算一體芯片。測(cè)試結(jié)果顯示，該芯片包含支持完整片上學(xué)習(xí)所必需的全部電路模塊，在多個(gè)任務(wù)中，該芯片的能耗僅為先進(jìn)工藝下ASIC系統(tǒng)的3%，能效指數(shù)級(jí)提升。

今年安徽大學(xué)集成電路學(xué)院提出了一種基于具有可調(diào)節(jié)衰減時(shí)間核的LiCoO2動(dòng)態(tài)憶阻器的硬件神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)了具有低功耗、高能效計(jì)算的輕量級(jí)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的語(yǔ)音識(shí)別硬件系統(tǒng)。

憶阻器的技術(shù)突破，讓市場(chǎng)看到了低功耗、高能效計(jì)算行之有效的解決方案，雖然還需要時(shí)間沉淀，當(dāng)時(shí)憶阻器的確為未來(lái)的計(jì)算打開(kāi)了大門。

從傳統(tǒng)憶阻器到自旋憶阻器

憶阻器的具體分類其實(shí)是很多的，現(xiàn)在市面上采用較多的是采用ReRAM抵抗變化型和PCM相變型這些憶阻器元件。尤其是ReRAM，基于ReRAM設(shè)計(jì)的存算一體技術(shù)路線已經(jīng)得到了很多廠商的認(rèn)同。

但其實(shí)這類元件作憶阻器時(shí)，響應(yīng)性能實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，并且難以控制器件電阻值會(huì)隨時(shí)間漂移的問(wèn)題，需要復(fù)雜的電路或算法補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)這些缺陷。因此也不是完美無(wú)缺的憶阻器方案。

為此TDK正在推進(jìn)基于自旋憶阻器的人工智能技術(shù)，根據(jù)TDK的介紹，自旋憶阻器基于最新磁阻效應(yīng)原理，結(jié)合了HDD磁頭和磁性傳感器的設(shè)計(jì)，可以自由移動(dòng)上下磁化的磁邊界，電阻值隨磁邊界位置變化，寫入操作通過(guò)橫向電流實(shí)現(xiàn)，讀取操作通過(guò)縱向電流實(shí)現(xiàn)，能夠兼具磁體的數(shù)據(jù)保持性和可控性。

該技術(shù)一是為了改進(jìn)不利于實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)憶阻器復(fù)雜補(bǔ)償，二是為了改進(jìn)漂移帶來(lái)的AI性能不穩(wěn)定。自旋憶阻器不需要復(fù)雜的補(bǔ)償就能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率的精確控制，電阻的一致性也不會(huì)對(duì)AI性能帶來(lái)負(fù)面影響。根據(jù)TDK給出的預(yù)期，該器件未來(lái)可幫助芯片大幅降低功耗，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)AI的學(xué)習(xí)功能和推理功能。

小結(jié)

自被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，憶阻器的研究就沒(méi)有中斷過(guò)，其自動(dòng)記憶能力和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性，在不斷的技術(shù)突破下將大力推動(dòng)人工智能和模擬存儲(chǔ)的發(fā)展。