光邮电通音讯高校缪向水教师团队在非易失性总括能力领域获进展

  5月25日,《纳米尺度》以内封面论文形式在线刊登了光电信息学院长江学者缪向水教授团队关于非易失性忆阻器计算技术的研究成果。该封面以《在二氧化铪存储器阵列中实现非易失性可重构时序逻辑》为题,报道了在忆阻器规模阵列中实现可重构逻辑功能的新方案。缪向水团队与台湾中山大学张鼎张教授团队合作完成了本项研究,2014级博士研究生周亚雄、李祎讲师为本文共同第一作者,缪向水教授和张鼎张教授为论文共同作者。

随着摩尔定律的失效,基于半导体集成电路的信息技术已逐步逼近物理极限,后摩尔时代的信息技术亟待全新的范式和原理。现代计算机自问世以来一直采用冯·诺依曼结构,即运算器与存储器分离,这种结构使得运算器与存储器之间的数据传输成为影响系统性能的瓶颈(称为冯·诺依曼瓶颈),大大限制了计算机性能的提高;同时,由于现代计算机中的运算器和主存储器都是易失性器件,不仅在断电后信息立即消失,而且具有较高的能耗。因此,开发新型非易失性器件,采用非冯·诺依曼结构,实现运算器和存储器合二为一(logic
in
memory),是未来发展高性能、低功耗、即开即用型计算机要解决的关键问题。当前,忆阻器(memristor)作为一种非易失性器件,由于同时具有信息存储和逻辑运算功能,有望在未来替代半导体晶体管,受到了学术界和工业界的广泛关注。

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近期,中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室研究员孙阳、副研究员尚大山和柴一晟等提出了另一种非易失性器件——忆耦器(memtranstor),并在单个忆耦器上分别实现了两态存储、多态存储和布尔逻辑运算。忆耦器是一种基于非线性磁电耦合效应的记忆元件,源于第四种基本电路元件电耦器。忆耦器的基本特征是其表现出非线性电荷-磁通回滞曲线。与忆阻器采用电阻(R
= dv/di)的状态存储信息不同,忆耦器采用电耦(T =
dq/dφ,或者等效于磁电耦合系数 α=
dE/dH)的状态来存储信息。忆耦器的信息处理原理采用电写磁读,具有高速度、高密度、低功耗、并行读取、结构简单、易于制备等优点。

  忆阻器,是电阻、电容、电感之外的第4种电路基本元件,具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存储与计算功能等特点,被认为是“后摩尔时代”最具潜力实现存储与逻辑运算一体化的信息器件,其发展将推动逻辑运算理论与计算体系结构的全面变革,为从根基上颠覆传统冯·诺依曼计算架构奠定器件基础。然而目前忆阻逻辑运算的物理原理和高效算法研究尚不完善。缪向水团队探索了忆阻器阵列中逻辑迭代、状态转换与级联,为非易失性忆阻逻辑的阵列化并行计算提供了可行方案。研究中利用交叉阵列中最常见的单个双极性器件和互补式拓扑结构,在同一单元中实现了基本布尔逻辑,并提出了全加器实现方案。相较于传统可重构逻辑电路,忆阻逻辑功能进行重构时,无需进行硬件连接的改变,而只需通过控制信号的调控,颇具潜力成为未来高性能并行计算的方案之一。

孙阳研究组的研究生申见昕、丛君状和申世鹏等分别基于多种磁电耦合介质制备了几种忆耦器。他们首先在Ag/PMN-PT/Terfenol-D/Ag忆耦器中实现了室温下两态信息存储,第一次演示了忆耦器作为新型非易失性存储器的功能
【以Letter形式发表于Phys. Rev. Applied 6, 021001
。在此基础上,他们又在该忆耦器中实现了多态存储。常规存储器每个存储单元只能存储2种状态,而多态存储器在每个存储位上可以存储2n个状态,因而具有更高的存储密度。与电阻型多态存储器相比,由于电耦值可以从正到负分布,因而忆耦器具有更高的存储密度和容错度。此后,他们采用简单金属Ni来替代复杂贵重合金Terfenol-D
(Tb0.28Dy0.72Fe1.95),制备了Ni/PMN-PT/Ni忆耦器,实现了非易失性两态和多态存储器。更为重要的是,他们基于单个Ni/PMN-PT/Ni忆耦器实现了非易失性通用逻辑门NOR和NAND。这一成果表明忆耦器与忆阻器类似,可以兼有信息存储和布尔逻辑运算的功能,因而有望用于实现非冯·诺依曼结构的下一代计算机。此外,研究生鲁佩佩等基于有机铁电体制备出Cu/P/Metglas和Cu/P/Ni有机忆耦器,并成功实现了非易失性多态信息存储。有机忆耦器有望在未来用于柔性可穿戴电子器件。

  近年来,围绕存储与计算高效融合的这一重要科学命题,由缪向水教授领衔的信息存储材料及器件研究团队展开了系统研究。团队在基于硫系化合物相变、磁电耦合效应、金属离子迁移等物理机制的新原理非易失逻辑计算方面取得了一系列研究成果,提出了一种基于四数学变量的通用逻辑算法,并在双极性、互补式、1T1R忆阻器中获得了实验验证,与现阶段相关国际报道文献相比,其计算复杂度最优,且兼容高密度阵列集成方案。原创性成果先后在国际著名期刊ACS
Applied Materials & Interfaces (8, 34559–34567, 2016)、IEEE Electron
Device Letters (38, 1-4, 2017)、Applied Physics Letters (109, 023506,
2016, 106, 233502, 2015)、Journal of Applied Physics (114, 234503, 2013)
等发表。在长期深入的研究和取得系列重大成果的基础上,团队撰写了我国第一本中文忆阻器专著《忆阻器导论》,目前已由科学出版社出版。

这些系列研究进展表明,忆耦器在开发下一代信息功能器件方面具有巨大的潜力。与目前人们广泛关注的忆阻器相比,忆耦器具有更低功耗和并行信息处理等优点。以上研究成果分别发表于Phys.
Rev. Applied
6, 021001 ;Phys. Rev. Applied 6, 064028 ;Sci. Rep.
6, 34473 ;威尼斯官方网站登录,Appl. Phys. Lett. 109, 252902
。在2016年11月于美国新奥尔良举行的第61届国际磁学与磁性材料大会上,孙阳研究组关于忆耦器的工作被评为大会最佳张贴报告奖(Best
Poster Award),是中国地区(包括台湾、香港和澳门)唯一获得该奖项的工作。

  相关研究先后获得国家自然基金委面上项目、青年项目、重点项目、国家重点研发计划项目、国家863主题项目、国家国际合作项目、国家02重大专项的支持。

该研究获得了国家自然科学基金、科技部和中科院项目的支持。

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