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全文共6066字，預(yù)計(jì)閱讀時(shí)間15分鐘

作者 | 程韞韻（Emily）

編輯 | 譚舒雯（Poppy）

注：文中圖片均來源于網(wǎng)絡(luò)

目前市場(chǎng)上應(yīng)用成熟的存儲(chǔ)器有易失性的SRAM和DRAM，和非易失性的閃存NOR Flash和NAND Flash（圖1）。SRAM(Static Random Access Memory)和NOR Flash的缺點(diǎn)是容量小、價(jià)格高，而DRAM(Dynamic Random Access Memory)和NAND Flash雖然有較大的容量和較低的價(jià)格，但它們無法直接使用，需要進(jìn)行軟件初始化。

近幾年，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算成為后摩爾時(shí)代最具潛力的技術(shù)之一。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)高度平行互聯(lián)，能夠在存儲(chǔ)里實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的能耗。而想要將神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用于硬件上，需要實(shí)現(xiàn)模擬生物神經(jīng)元的人工神經(jīng)元和模擬生物突觸的人工突觸。二者都需要有高效、可擴(kuò)展的特性，并能使用相關(guān)的學(xué)習(xí)規(guī)則來促進(jìn)大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)。因此，許多研究致力于用后CMOS設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工突觸，如電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Resistive Random Access Memory, ReRAM）、相變存儲(chǔ)器（Phase Change Memory, PCM）和鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Ferroelectric Field Effect Transistor, FeFET）等。還有一些研究涉及開發(fā)非CMOS神經(jīng)元，如光學(xué)神經(jīng)元。

圖1 存儲(chǔ)器分類

可變電阻式存儲(chǔ)器

（Resistive Random Access Memory, ReRAM）

狹義上講，憶阻器是一種可以根據(jù)施加的電壓或電流保持內(nèi)部電阻狀態(tài)的兩端電阻開關(guān)。由于其可擴(kuò)展性、與CMOS的兼容性和模擬電導(dǎo)調(diào)制等特性，憶阻器成為存儲(chǔ)和非傳統(tǒng)計(jì)算的可行技術(shù)之一。ReRAM相比其他非易失性存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)是電阻值范圍大、密度高，功耗比PCM低，但因?yàn)橥ǖ佬纬蓵r(shí)間難以預(yù)估，ReRAM的一致性較低。目前ReRAM可以擴(kuò)展到先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，能夠進(jìn)行大批量工業(yè)生產(chǎn)，并且滿足神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等應(yīng)用對(duì)能耗和速度的要求。在氧化物、氮化物、鈣鈦礦、硫族化物和有機(jī)材料中都可以觀察到憶阻轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。ReRAM有一個(gè)包含上電極（金屬）、交換媒介（絕緣體）和下電極（金屬）的簡(jiǎn)單三層結(jié)構(gòu)（圖2[1]）。電阻的轉(zhuǎn)換原理是在兩電極之間施加電壓時(shí)轉(zhuǎn)換材料中有絲狀物形成。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換材料和存儲(chǔ)元件，ReRAM有不同的使用方法，這些變量會(huì)導(dǎo)致較大的性能差異[2]。ReRAM具有生物神經(jīng)元和突觸的時(shí)間特性和模擬特性，基于ReRAM技術(shù)的人工神經(jīng)突觸是一種在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中實(shí)現(xiàn)高密度和可縮放突觸陣列的可靠方法[3]。密歇根大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的盧偉教授團(tuán)隊(duì)在2017年展示了一個(gè)布置在交叉網(wǎng)絡(luò)中的憶阻器神經(jīng)擬態(tài)原型設(shè)備，擁有多種性能優(yōu)勢(shì)（圖3），具備商業(yè)化的潛力。[4]

圖2 ReRAM結(jié)構(gòu)

圖3 ReRAM優(yōu)勢(shì)

擴(kuò)散型憶阻器

（Diffusive Memristor）

含銀的擴(kuò)散型憶阻器是一種易失性閾值開關(guān)，在零偏差的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)傳導(dǎo)通道的自然斷裂。這種傳導(dǎo)演變獨(dú)特的時(shí)間動(dòng)態(tài)來自于活潑金屬的電化學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，能夠有效地模擬有弛豫過程的突觸可塑性。金屬絲形成的延遲可以模擬泄漏積分觸發(fā)，在完整憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中與漂移型憶阻突觸搭配可以實(shí)現(xiàn)非監(jiān)督學(xué)習(xí)和脈沖計(jì)時(shí)相關(guān)可塑性。馬薩諸塞大學(xué)阿莫斯特分校的擴(kuò)散式憶阻器由在兩個(gè)電極間嵌入納米銀顆粒的氮氧化硅膜構(gòu)成。（圖4）在通電的情況下，絕緣體氮氧化硅膜上排列整齊的銀粒子逐漸擴(kuò)散，透過薄膜形成一簇簇導(dǎo)電絲，從而將電流從一個(gè)電極傳導(dǎo)到另一電極。而電源關(guān)閉后，納米銀顆粒會(huì)因?yàn)闇囟认陆刀匦抡R排列。[5]（圖5）高頻低壓的脈沖序列使元件的導(dǎo)電性逐漸增加至電流可以通過的數(shù)值，但導(dǎo)電率會(huì)隨著脈沖的持續(xù)而最終降低。因?yàn)檫@一過程與生物突觸中鈣離子的表現(xiàn)相似，所以可以用來模擬神經(jīng)元的短期可塑性，即忘記較早的短期信息，并鎖定更多相關(guān)信息。傳統(tǒng)的漂移型憶阻器是基于物理過程，因此保真度和其他突觸功能都受到限制。而擴(kuò)散型憶阻器不僅可以模擬生物突觸的工作原理，還可以進(jìn)一步展示突觸功能的本質(zhì)，如鈣離子濃度變化、移動(dòng)物體的耗盡效應(yīng)和相互反應(yīng)的物質(zhì)間的動(dòng)態(tài)平衡等。

圖4 Au/SiOxNy:Ag/Au擴(kuò)散型憶阻器側(cè)面示意圖

圖5 鈣離子與銀原子動(dòng)力學(xué)類比示意圖

相變存儲(chǔ)器

（Phase Change Memory, PCM）

相變存儲(chǔ)器的原理是相變材料硫族化物在不同狀態(tài)下電阻率不同，結(jié)晶態(tài)電阻率低，而非晶態(tài)電阻率高。PCM采用納米級(jí)材料，優(yōu)勢(shì)是工程化容易，電阻值范圍大、密度高，但存在壽命較短的問題，且由于依靠電流熱效應(yīng)使納米材料結(jié)晶，PCM的功耗比RAM高。PCM器件是相對(duì)成熟的設(shè)備，商業(yè)化也會(huì)較快實(shí)現(xiàn)。PCM器件的SET操作通過施加數(shù)個(gè)能夠使非晶態(tài)逐漸結(jié)晶的SET脈沖實(shí)現(xiàn)。難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)遞增的RESET操作，因?yàn)闀?huì)涉及到一個(gè)融化和快速冷卻的結(jié)晶矩陣。解決方法是將兩個(gè)PCM器件整合成一個(gè)突觸設(shè)備來實(shí)現(xiàn)突觸時(shí)間相關(guān)可塑性，SET操作會(huì)在兩個(gè)PCM中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程抑制（Long-Term Depression, LTD）或長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（Long-Term Potentiation, LTP）。PCM最常見的材料是Ge?Sb?Te?，不同的添加劑如N?、SiO?等可以調(diào)節(jié)結(jié)晶和融化的動(dòng)力學(xué)。存儲(chǔ)元件結(jié)構(gòu)通常是一層硫族化合物夾在兩層惰性金屬電極中（圖6）。快速地移除輸入脈沖會(huì)使材料形成高阻值的不定型態(tài)，如果要得到相反的變化，可以施加一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為100至50ns的慢速電脈沖，材料經(jīng)過閾值分割后可以讓電流在高阻值態(tài)傳導(dǎo)。而慢慢地移除輸入脈沖會(huì)讓非晶區(qū)結(jié)晶，使元件回到低阻值的多晶態(tài)。硫族化合物的真正優(yōu)勢(shì)是這些轉(zhuǎn)換可以至少重復(fù)10?至10?次，并且元件可以在85℃的環(huán)境中保持功能至少10年。因?yàn)榇鎯?chǔ)元件晶態(tài)和非晶態(tài)的程度可以通過電能輸入控制（圖7），所以元件可以被編程為多種穩(wěn)定的形態(tài)，為多種模擬運(yùn)算應(yīng)用提供了可能，如內(nèi)容定址存儲(chǔ)器中的模糊匹配。而且，早期在納米設(shè)備中模擬突觸可塑性也是在PCM元件中完成[6]。英特爾、三星、美光科技和松下都曾多次涉足PCM領(lǐng)域，IBM Research曾推出一款可以作為非易失性緩存的PCM DIMM。

圖6 PCM結(jié)構(gòu)

圖7 阻值與寫入電流的關(guān)系

導(dǎo)電橋接存儲(chǔ)器

（Conductive Bridging Random Access Memory, CBRAM）

導(dǎo)電橋接隨機(jī)存取存儲(chǔ)是一種可以用作神經(jīng)元和突觸實(shí)現(xiàn)的非易失性內(nèi)存技術(shù)。與電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)不同的是，CBRAM利用電化學(xué)特性來形成和溶解連接，有速度快（~ns）、納米級(jí)和低能耗（~nW）的優(yōu)勢(shì)。CBRAM通過絕緣固體電極或氧化物形成導(dǎo)電金屬絲。（圖8）神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用的難點(diǎn)之一是金屬絲形成（SET）過程的內(nèi)在突發(fā)性，盡管金屬絲的擴(kuò)展可以漸進(jìn)式進(jìn)行，但可能形成極導(dǎo)電狀態(tài)，從而導(dǎo)致神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)較大的整體電流。因此，積分觸發(fā)神經(jīng)元需要相當(dāng)大的電容。Yu的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種物理模型來研究CBRAM設(shè)備的轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)[7]。在SET過程中，上電極逐漸被氧化，伴隨著金屬離子漂移到下電極，并在下電極被還原，從而生成垂直生長(zhǎng)的金屬絲，直到金屬絲觸及上電極。在RESET過程中，由于金屬絲頂端的增強(qiáng)橫向電場(chǎng)，金屬絲有橫向溶解的趨勢(shì)。活化能和有效跳躍距離等關(guān)鍵參數(shù)可以從電測(cè)量值中得到，類STDP的電導(dǎo)改變通過調(diào)節(jié)脈沖振幅實(shí)現(xiàn)。Suri的研究團(tuán)隊(duì)已證實(shí)CBRAM設(shè)備有作為低功耗隨機(jī)神經(jīng)系統(tǒng)的二進(jìn)制突觸的功能[8]。二進(jìn)制CBRAM突觸和隨機(jī)STDP學(xué)習(xí)規(guī)則允許在完全非監(jiān)督情況下異步模擬數(shù)據(jù)流用于重復(fù)且實(shí)時(shí)的聽覺和視覺模式的識(shí)別和提取。CBRAM等硅材料存儲(chǔ)面臨的問題是無法實(shí)現(xiàn)3D堆疊技術(shù)，如果仿照NAND Flash進(jìn)行堆疊，會(huì)失去隨機(jī)訪問性。

圖8 CBRAM結(jié)構(gòu)

自旋電子器件

（Spintronics Devices）

MRAM是一種使用電子自旋來儲(chǔ)存信息的內(nèi)存技術(shù)，能夠結(jié)合存儲(chǔ)內(nèi)存的密度和SRAM的速度實(shí)現(xiàn)非易失性和高能效。MRAM的優(yōu)勢(shì)在于壽命長(zhǎng)、速度快，但它的阻值變化范圍較小，工程化較困難?；贛RAM的自旋電子器件由兩層金屬鐵磁體和夾在中間的穿隧氧化層組成，即自由層和固定層，這種三層結(jié)構(gòu)被稱為磁性隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）（圖9）。固定層的自旋極化有特定的方向，而自由層的磁化可以被外部電流或磁場(chǎng)改變。當(dāng)兩層金屬的磁化方向相反或反向平行時(shí)，器件表現(xiàn)高電阻值；當(dāng)磁化方向平行時(shí)，器件處于低電阻態(tài)。元件的阻值由自由層相較于固定層的磁化程度決定，自由層方向的轉(zhuǎn)換是隨機(jī)的，但與電壓振幅和脈沖寬度密切相關(guān)（圖10），切換時(shí)間的內(nèi)部隨機(jī)性可以用于隨機(jī)突觸的研究。MTJ設(shè)備中的多重電阻態(tài)可以通過在自由層中加入疇壁實(shí)現(xiàn)，疇壁將兩個(gè)反向極化的磁疇分開。利用自旋扭矩轉(zhuǎn)換現(xiàn)象移動(dòng)疇壁可以調(diào)節(jié)設(shè)備電導(dǎo)，即在自由層中改變平行和反向平行域的相對(duì)比例。自旋電子設(shè)備可以用作神經(jīng)形態(tài)計(jì)算器件的原因是它有多種與CMOS兼容的可調(diào)功能，可以在納米級(jí)別實(shí)現(xiàn)高密度。神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中的自旋電子器件包括自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin-Transfer Torque, STT）設(shè)備、自旋波（Spin-Wave）設(shè)備和磁疇壁（Magnetic Domain Walls）。自旋電子設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)與線上學(xué)習(xí)規(guī)則（eg.STDP）、完整網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)模塊相匹配的神經(jīng)元和突觸[9]。自旋電子神經(jīng)元能夠?qū)崿F(xiàn)比相應(yīng)的模擬/數(shù)字CMOS設(shè)備低10至100倍的能耗（圖11），因此能夠滿足突觸陣列的超低功率操作。此外，自旋電子突觸還能提供退耦的寫入和讀出電流通路，為自主學(xué)習(xí)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。[10]

圖9 磁隧道結(jié)示意圖

圖10 自由層轉(zhuǎn)換與電壓和時(shí)間的關(guān)系

圖11 自旋電子神經(jīng)元與模擬/數(shù)字CMOS神經(jīng)元能耗比較

鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（Ferroelectric Field-Effect Transistor, FeFET）

FeFET是一種將鐵電薄膜作為柵極絕緣層的三端器件，由堆疊的氧化物材料組成，包括ZnO/Pr(Zr,Ti)O?和(PZT)/SrRuO?等。（圖12）鐵電材料能夠在兩種極化狀態(tài)下可逆地轉(zhuǎn)換，可以作為內(nèi)存的兩種數(shù)字狀態(tài)。理論上由于鐵電極化的庫倫相互作用，通道電導(dǎo)會(huì)隨著PZT膜極化誘導(dǎo)的電子密度改變。通過施加一個(gè)門電壓，以非易失性的方式，根據(jù)極化方向進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)這些材料特性，對(duì)稱或非對(duì)稱的STDP學(xué)習(xí)功能能夠通過施加非線性脈沖門電壓，在基于FeFET的突觸設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。突觸設(shè)備的三端結(jié)構(gòu)有利于同時(shí)學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闄?quán)重的更新無需刪除神經(jīng)元間的信號(hào)傳輸，而使用兩端突觸設(shè)備的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要在學(xué)習(xí)時(shí)停止信號(hào)傳輸[11]。鐵電體如PbZrOx(PZT)、SrBi?Ta?O?(SBT)、BaTiO?(BTO)和BiFeO?(BFO)等都作為神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用材料被固態(tài)物理學(xué)家廣泛研究，主要特性包括可擴(kuò)展性、CMOS兼容性和可靠性如泄漏電流等。傳統(tǒng)的鐵電材料含有對(duì)環(huán)境有害的鉛，如鋯鈦酸鉛（Lead Zirconat Titanate, PZT），因此亟需研發(fā)一種無鉛且與CMOS兼容的鐵電材料。FeFET中理想的鐵電材料應(yīng)該足夠薄，因?yàn)榇怪盢AND結(jié)構(gòu)中門堆棧的厚度需要最小化，因此鐵電材料HfO?引起了廣泛關(guān)注，它能夠在7-10nm厚度下顯示出鐵電性[12]。Boscke研究組最早在2011年發(fā)現(xiàn)了基于HfO?的薄膜的鐵電性，能夠與硅、鋯、鋁、釓和鑭一起使用[13]。FeFET還具備一些作為電子突觸的優(yōu)點(diǎn)，如快速編程操作、對(duì)稱的增強(qiáng)下降曲線和高ON/OFF比。

圖12 FeFET結(jié)構(gòu)

突觸晶體管

（Synaptic Transistors）

結(jié)構(gòu)上由晶體管衍生而來的三端人工突觸（圖13）在神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。門接線端（突觸前）用來易失（短期可塑性）或非易失地（長(zhǎng)期可塑性）控制通道的電導(dǎo)（突觸權(quán)重），意味著可以將寫入操作（用門接線端調(diào)制突觸權(quán)重）與讀出操作（用源極端讀出突觸權(quán)重）分開，這正是兩端憶阻設(shè)備缺少的。近些年，電導(dǎo)改變的操作機(jī)制從雙電層升級(jí)到鐵電體。如表1所示，不同的通道和電解質(zhì)材料會(huì)導(dǎo)致不同的性能。如果電解質(zhì)是離子溶液或凝膠態(tài)，突觸晶體管設(shè)備的可擴(kuò)展性將成為一個(gè)潛在問題，而這一問題可以通過引入固態(tài)電解質(zhì)解決，如聚乙烯醇（質(zhì)子導(dǎo)體）和聚氧化乙烯中的LiClO?（鋰離子導(dǎo)體）。這些設(shè)備在耐久性、速度和電解質(zhì)穩(wěn)定性方面會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，但它們可以擁有超越生物突觸的能量效率。潛通路和自放電的問題可以通過使用存取設(shè)備權(quán)衡面積和能量效率來緩解，更好的耐久性可以通過提升薄膜的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)，設(shè)備操作速度的提升則依靠?jī)?yōu)化離子和固態(tài)電解質(zhì)的選擇實(shí)現(xiàn)。新加坡國(guó)立大學(xué)Ang Kah-Wee教授團(tuán)隊(duì)與新加坡科技局聯(lián)合提出了一種以化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長(zhǎng)的晶圓級(jí)連續(xù)單層二硫化鉬（MoS?）薄膜為基礎(chǔ)構(gòu)建的憶阻晶體管固態(tài)突觸器件。[14]在靜態(tài)條件下，器件能夠同時(shí)表現(xiàn)出柵極可調(diào)控的源-漏雙極型阻變特性，以及顯著的轉(zhuǎn)移曲線遲滯特性，兼顧了兩端憶阻器和三端晶體管的電學(xué)特征。團(tuán)隊(duì)通過對(duì)器件的漏極和柵極分別施加電學(xué)脈沖刺激，驗(yàn)證了器件包括長(zhǎng)程增強(qiáng)（LTP）、長(zhǎng)程抑制（LTD）、脈沖時(shí)間依賴可塑性（STDP）等在內(nèi)的重要突觸模擬特性。不同于以往的人工突觸器件中只允許某一特定電極作為神經(jīng)元輸入，該器件的多神經(jīng)元輸入特點(diǎn)為未來神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更高的靈活性。

圖13 突觸晶體管結(jié)構(gòu)

表1 突觸晶體管材料與性能比較

光學(xué)實(shí)現(xiàn)和涉及光學(xué)和光子組件的實(shí)現(xiàn)在神經(jīng)實(shí)現(xiàn)中較為常見。在早期的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中，光學(xué)實(shí)現(xiàn)最初被考慮是因?yàn)槠鋬?nèi)在的平行性，但由于存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)中十分困難，所以光學(xué)實(shí)現(xiàn)沉寂了幾十年。近幾年，由于其潛在的超速操作、相對(duì)中等的復(fù)雜度和可編程性，對(duì)光學(xué)實(shí)現(xiàn)和光子平臺(tái)的關(guān)注再度出現(xiàn)。在神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，光學(xué)和光子組件被用于制造不同的神經(jīng)形態(tài)組件，光學(xué)神經(jīng)形態(tài)實(shí)現(xiàn)包括早期神經(jīng)形態(tài)實(shí)現(xiàn)中的光學(xué)或光電子突觸實(shí)現(xiàn)，和最近涉及新材料的光學(xué)突觸?；谖⒗w維和碳納米管的光電突觸和光子突觸表現(xiàn)出高帶寬和無電互聯(lián)能量損耗的潛在優(yōu)勢(shì)。Cheng的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于相變材料的全光子突觸，能夠在物理層面模擬神經(jīng)突觸，并實(shí)現(xiàn)與Hebbian學(xué)習(xí)和STDP規(guī)則兼容的突觸可塑性[15]。如圖14所示，有離散PCM結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)作為光子突觸，波導(dǎo)的輸入和輸出分別與前神經(jīng)元和后神經(jīng)元相連。光循環(huán)器用來連接突觸的輸出和后神經(jīng)元，并施加光學(xué)脈沖來改變突觸權(quán)重。從前神經(jīng)元到后神經(jīng)元的低能量光傳輸可以被設(shè)備監(jiān)測(cè)，其中傳輸電平與突觸權(quán)重有關(guān)。光學(xué)脈沖已被證實(shí)可以通過改變整合到波導(dǎo)上的PCMs來提供非易失性的光子存儲(chǔ)[16]。光場(chǎng)模擬顯示光子突觸中的電場(chǎng)分布比傳統(tǒng)波導(dǎo)設(shè)計(jì)更均勻，這讓突觸權(quán)重的固定調(diào)節(jié)成為可能，即使用預(yù)定數(shù)量、給定能量和給定時(shí)長(zhǎng)的固定脈沖。而且通過前后神經(jīng)元信號(hào)的安排，可以實(shí)現(xiàn)一種能夠根據(jù)前后神經(jīng)元信號(hào)的時(shí)延調(diào)制突觸權(quán)重的全光學(xué)方法。通過使用優(yōu)化后的設(shè)備設(shè)計(jì)和交換協(xié)議，以及低開關(guān)電源的PCMs，最終實(shí)現(xiàn)規(guī)模上與先進(jìn)電子神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)相似的大規(guī)模光子神經(jīng)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，而且能在近似于人腦能耗的水平上運(yùn)行。Chai的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)為Pd/MoOx/ITO(indium tin oxide)的兩端突觸設(shè)備ORRAM，擁有紫外光光敏、光學(xué)觸發(fā)非易失和易失性電阻開關(guān)和光調(diào)諧突觸行為，能夠完成圖像傳感、圖像記憶和實(shí)時(shí)預(yù)處理功能如對(duì)比增強(qiáng)等。[17]

圖14 模擬神經(jīng)元突觸的光子突觸結(jié)構(gòu)

以上每種存儲(chǔ)設(shè)備有各自的優(yōu)勢(shì)，適用于不同的應(yīng)用要求。目前，神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)仍需要成熟可靠的CMOS電路使外圍組件生效，意味著神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)與CMOS電路是互補(bǔ)而非替代關(guān)系。然而，盡管CMOS可以用于SNN的搭建，但CMOS不能模擬時(shí)間的神經(jīng)突觸行為。因此，新的物理緊致裝置，如擴(kuò)散式憶阻器，擁有與生物突觸和神經(jīng)元物理級(jí)的內(nèi)在相似性，使在新的計(jì)算范式下復(fù)制生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為更有效?？鐚W(xué)科的合作交流，如材料科學(xué)、設(shè)備工程、硬件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)架構(gòu)等，可以實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的持續(xù)發(fā)展，解決神經(jīng)形態(tài)研究領(lǐng)域的諸多挑戰(zhàn)。

為了從基礎(chǔ)研究推進(jìn)到集成系統(tǒng)再到實(shí)際工業(yè)發(fā)展，新興存儲(chǔ)設(shè)備的制造必須與硅CMOS集成兼容。除了從材料和工具上簡(jiǎn)單地與CMOS兼容外，新興設(shè)備還需具備與CMOS匹配的操作環(huán)境，如驅(qū)動(dòng)電壓、操作電流和溫度穩(wěn)定性等。制造成本必將成為選擇應(yīng)用中與CMOS整合的存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)考慮的一個(gè)重要因素。區(qū)別傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)和新興設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是能量消耗。盡管優(yōu)化整體轉(zhuǎn)換能量很重要，但當(dāng)許多設(shè)備在交叉開關(guān)上連接并在陣列周圍被神經(jīng)元驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)時(shí)，還需格外注意寫入電流和誘導(dǎo)電導(dǎo)變化的時(shí)標(biāo)。每種設(shè)備需要的電流值意味著驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，而轉(zhuǎn)換的時(shí)標(biāo)應(yīng)與寫入和實(shí)施各種可塑性規(guī)則的波形相匹配。寄生電容、電線的阻值和電遷移限制需要被進(jìn)一步優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)在CMOS基礎(chǔ)上的有效性能提升。相較于成熟的硅CMOS技術(shù)，大多數(shù)新興存儲(chǔ)技術(shù)的缺點(diǎn)還包括有限的可靠性。許多設(shè)備存在較大的設(shè)備間變異性，單個(gè)設(shè)備重復(fù)的編程步驟也有可變性存在。阻值水平存在漂移和保留損失問題，并且會(huì)隨著縮放和低寫入能量環(huán)境愈發(fā)顯著。然而，新興設(shè)備在算法或架構(gòu)層面也有可取之處，因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物計(jì)算實(shí)體，如神經(jīng)元和突觸，在操作特性中也表現(xiàn)出較大的可變性。因此，生物系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)算，如何將這些技術(shù)應(yīng)用到容錯(cuò)硬件平臺(tái)中將成為未來有意義的研究課題。

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