過去幾十年中，電子計算能力呈現(xiàn)幾何指數(shù)增長，并從根本上改變了我們的工作，生活和互動方式。而未來在未來甚至?xí)l(fā)更大的發(fā)展變革。回看歷史，基于摩爾定律的計算能力發(fā)展主要由兩個因素驅(qū)動：1、電子設(shè)備的巨大規(guī)?；?qū)動的，2、器件尺寸的減小顯著改善了成本，速度和功耗。為了保持這種發(fā)展趨勢，必須投入了大量資源來維持?jǐn)U展趨勢，目前已能大規(guī)模制備集成數(shù)十億納米級晶體管的芯片，并為今天的智能手機(jī)和超級計算機(jī)提供計算動力。然而，隨著制造成本的增加和即將到來的基本物理限制，單純通過器件縮放不再能夠提供所需的性能增益。

特別是，隨著摩爾定律的臨近終結(jié)，半導(dǎo)體行業(yè)一直處于“正在瀕臨死亡”的階段，許多技術(shù)都在尋求填補(bǔ)后摩爾時代遺留的技術(shù)真空。

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而憶阻器則是可能性技術(shù)之一。作為最近研發(fā)的四種基本電子元器件，憶阻器結(jié)構(gòu)形式非常簡單，總共僅需要三層—— 兩個發(fā)送和接收電信號的電極以及之間的“存儲”層。從外部看，憶阻器看起來像一個電阻，因此具有高密度集成和低成本制造的巨大潛力。然而，不同于靜態(tài)電阻，憶阻器中的存儲層的物理參數(shù)可以通過電學(xué)刺激而重新配置，并且會形成記憶效應(yīng)，其中物理參數(shù)的變化(電阻)可用于數(shù)據(jù)的存儲和處理。

圖1 電阻器，電容器，電感器，憶阻器的概念之間的對稱性

因而，我們可以稱具有記憶效應(yīng)的電阻器件即為憶阻器(存儲器+電阻器)，或定義為憶阻系統(tǒng)。在存儲器中所使用的憶阻器也通常被稱為電阻式隨機(jī)存取存儲器(RRAM)?；A(chǔ)理論研究表明，典型的憶阻器特征尺寸可以降低到10nm以下，存儲狀態(tài)維持?jǐn)?shù)年，同時具有開啟速度快(亞秒級別)，長寫擦除耐力和低編程功耗等特點(diǎn)。應(yīng)該注意的是，盡管目前可以實(shí)現(xiàn)了某一特性的重復(fù)制備，但同時集成多種功能的單一憶阻器材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)材料和器件測試表征表明，憶阻器中電學(xué)重新配置通過存儲層內(nèi)部離子再分配驅(qū)動形成的。通常存儲層為幾納米厚，因此較低的電勢即可產(chǎn)生足夠大的電場用以以驅(qū)動離子遷移并改變材料的離子分布形式。存儲層常見的再分配方式包括存儲層的陽離子或陰離子的物種氧化，遷移和還原，這些變化導(dǎo)致存儲層材料局部電導(dǎo)率發(fā)生變化，從提高或降低導(dǎo)電區(qū)域。這個過程可以是突變(二進(jìn)制)或漸變(類似物)，并且伴隨不同時間尺度發(fā)生不同的物理過程。因而通過材料篩選和驅(qū)動模式的改變可以使簡單的器件能夠產(chǎn)生豐富的結(jié)構(gòu)變化。

在本文中，我們主要是評估基于憶阻器模式的新型計算系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢，以及在未來中是否能夠超越摩爾定律，取代現(xiàn)有計算模式。未來將會從憶阻器開發(fā)中獲益匪淺的主要有三種類型的計算系統(tǒng)，如圖2所示：片上存儲(on-chip memory and storage)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式(biologicallyinspired computing)和存儲計算(in-memory computing)?；趹涀杵鞯挠嬎隳Ｊ娇梢詭椭朔?dāng)今計算架構(gòu)面臨的障礙，并且能夠用于未來的計算需求：認(rèn)知處理，大數(shù)據(jù)分析和基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗智能系統(tǒng)等計算系統(tǒng)。

圖2：未來計算解決方案的競爭

傳統(tǒng)的計算架構(gòu)面臨著各種挑戰(zhàn)，包括散熱，存儲和摩爾定律。憶阻器技術(shù)可以提供一種替代路徑，實(shí)現(xiàn)存儲-邏輯集成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算和高效的內(nèi)存計算系統(tǒng)。CMOS，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體; GPU，圖形處理單元; CPU，中央處理單元。

馮諾依曼瓶頸?

現(xiàn)今，傳統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)源于存儲能力瓶頸以及存儲器與處理器之間的特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移速度所帶來的高成本，即為馮·諾伊曼瓶頸。憶阻器模式則直接提供了一種超高密度存儲解決方案，并且可直接與處理芯片集成，減少內(nèi)存瓶頸，顯著提高系統(tǒng)的能效和計算速度。

與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)相比，憶阻器(以RRAM的形式)比硬盤驅(qū)動器和閃存快得多，同時存儲密度更高，成本更低，且具有良好的非揮發(fā)存儲性能。此外，晶體管模式的存儲器不同，憶阻器式存儲可以與處理器進(jìn)行高密度低熱功耗集成，消除了傳統(tǒng)模式那種緩慢且耗能的片外通信。這些特性使得憶阻器模式能夠簡化存儲層次結(jié)構(gòu)，并顯著提升計算系統(tǒng)性能，特別是在大數(shù)據(jù)時代。

目前的研究工作主要促進(jìn)憶阻器作為存儲器和存儲系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)備性能并解決與大規(guī)模應(yīng)用相關(guān)的挑戰(zhàn)。包括優(yōu)化設(shè)備速度，開/關(guān)比，循環(huán)耐久性和數(shù)據(jù)保留時間等。更深度的優(yōu)化工作包括降低工作電壓和電流以及解決器件可變性挑戰(zhàn)。在電路和系統(tǒng)級別上，憶阻器存儲器(RRAM)的大規(guī)模實(shí)現(xiàn)還需要解決諸如潛行電流和導(dǎo)線電阻之類的挑戰(zhàn)。

值得注意的是，憶阻器可能在非存儲模式的計算系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，例如生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算。這種計算模式是將存儲與計算集于一體，因此憶阻器非常適合用于這種模式的計算需求。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)處理方面的表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)計算系統(tǒng)，甚至在復(fù)雜任務(wù)中的表現(xiàn)過人類，比如Google開發(fā)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式的AlphaGo在圍棋領(lǐng)域已經(jīng)超過人類高手。最簡單形式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過加權(quán)突觸連接形成的神經(jīng)元(圖3)。每個突觸將信息從突觸前神經(jīng)元傳遞到突觸后神經(jīng)元，并經(jīng)過突觸權(quán)重進(jìn)行縮放。通過更新其突觸權(quán)重來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以執(zhí)行特定任務(wù)。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有超過100個的隱藏層，因此需要訓(xùn)練并且存儲大量突觸連接。到目前為止，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)主要基于傳統(tǒng)的計算硬件，其中突觸權(quán)重存儲在(片外)存儲器中并且需要不斷地加載到處理單元中以計算到下一神經(jīng)元的期望輸出?；谶@一模式的計算性能仍然受到馮諾依曼瓶頸的限制，并且需要消耗巨大的計算硬件資源，產(chǎn)生極高的功耗。相反，基于憶阻器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下，單一器件可以同時存儲突觸權(quán)重并且傳輸數(shù)據(jù)信號，(如圖3所示)，在這種情況下，發(fā)射信號(即進(jìn)入后神經(jīng)元的電流)由輸入信號(即來自前神經(jīng)元的電壓脈沖)與突觸權(quán)重(由憶阻器電導(dǎo)表示)的乘積確定。存儲單元和計算模塊在同一設(shè)備中避免了數(shù)據(jù)移動，可顯著提高系統(tǒng)效率。

圖3：基于憶阻器模式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)方式

在每個交叉點(diǎn)形成憶阻器，可同時用于存儲數(shù)據(jù)和處理信息。在這種方法中，矢量矩陣乘法可由歐姆定律和基爾霍夫定律的簡單讀取操作獲得。此外，憶阻器的內(nèi)部動力學(xué)可用于忠實(shí)地模擬生物突觸中的潛在過程。Vi，第i行施加的電壓; Ij，當(dāng)前通過列j的電流 ; Gij，在第i行和第j列的交叉點(diǎn)處的憶阻器的電導(dǎo)率。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以直接映射到硬件中的交叉開關(guān)形式，其中輸入連接到憶阻器交叉開關(guān)的行，輸出端連接到列。此外，所有輸入可在單個器件所有節(jié)點(diǎn)可同時進(jìn)行計算操作，其中特定列的輸出電流由通過連接輸入到特定列的所有憶阻器的總和電流確定。換句話說，N個輸入和M個輸出的N × M憶阻器交叉開關(guān)的單個讀操作執(zhí)行N ×(N × M)矢量矩陣乘法，具有高度的計算并行性。而在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，執(zhí)行同樣的任務(wù)需要N×M個乘機(jī)累加運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。憶阻器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的高效計算特性主要是基于存儲和計算的共存位置以及高水平的并行計算特性。

神經(jīng)形態(tài)硬件對于憶阻器研究來說是一個特別有吸引力的領(lǐng)域，因?yàn)橄到y(tǒng)級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以容忍當(dāng)今許多器件非理想性特性，如器件的本征變化。實(shí)際上，設(shè)備運(yùn)行時間隨機(jī)性正可以用來模擬真實(shí)生物突觸特性，并且可在訓(xùn)練期間進(jìn)行優(yōu)化。此外，實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)操作不需要多年的數(shù)據(jù)保留，并且也可以放寬對設(shè)備耐久性的要求，因?yàn)闄?quán)重更新通常比較少。

從數(shù)學(xué)的角度上說，神經(jīng)形態(tài)計算可以分解為一系列矢量矩陣乘法運(yùn)算，通過憶阻器交叉結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在這些系統(tǒng)中，通過突觸連接的相對加強(qiáng)和弱化發(fā)生實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)”功能(圖 2)。在過去的幾年中已經(jīng)證明了基于憶阻器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件模式。例如，已經(jīng)演示了執(zhí)行模式分類的憶阻器硬件，最初使用2×10陣列并且稍后擴(kuò)展到12×12陣列。2016年引入了一個使用憶阻器陣列進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用的通用點(diǎn)積引擎，通過在線學(xué)習(xí)進(jìn)行了主成分分析的演示。

在SNN中，常見學(xué)習(xí)規(guī)則是尖峰定時依賴模式 - 當(dāng)突觸前神經(jīng)元尖峰在突觸后神經(jīng)元尖峰之前時，兩個神經(jīng)元之間的突觸增強(qiáng)，如果相反則減弱。實(shí)際上，甚至有人認(rèn)為憶阻效應(yīng)可以解釋與尖峰定時相關(guān)的可塑性行為。到目前為止，許多研究人員已經(jīng)使用實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)通過全系統(tǒng)仿真研究了基于憶阻器-SNN。

總體而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)和探索是目前非?；钴S。使用不同的神經(jīng)元，突觸和網(wǎng)絡(luò)模型來探索各種新型計算模式。例如，在生物系統(tǒng)中，SNN中的尖峰被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高能量和計算效率的關(guān)鍵。目前先進(jìn)的物體分類精度是通過模擬大腦的深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。如上所述，憶阻器作為硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢是可用于神經(jīng)形態(tài)計算和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。除此之外，我們注意到上述相同的矢量矩陣運(yùn)算可用于解決諸如矢量算術(shù)函數(shù)和線性代數(shù)之類的經(jīng)典問題。因此，憶阻器可以實(shí)現(xiàn)有前途的內(nèi)存計算解決方案，消除內(nèi)存瓶頸和數(shù)據(jù)擁塞，并為不同類型的數(shù)據(jù)密集型任務(wù)提供低功耗，高效率的硬件系統(tǒng)。

面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

雖然憶阻器在存儲器，計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用顯示出巨大的應(yīng)用潛力，但仍需要解決材料和器件應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。當(dāng)然這些問題可以根據(jù)具體應(yīng)用而變化。例如，在高性能存儲器應(yīng)用(例如DRAM替換)中，降低編程電流和電壓，提高耐久性并改善選擇器性能以降低潛行電流至關(guān)重要，并且通過最少的器件實(shí)現(xiàn)所有這一切。這顯然給研究界帶來了巨大挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，對于神經(jīng)形態(tài)和類似的計算應(yīng)用，這些規(guī)范中的一些可以放寬，而模擬狀態(tài)的穩(wěn)定性等新需求就變得非常重要了。

如何降低器件尺寸和提升集成規(guī)模?

雖然，近年的研究中憶阻器已經(jīng)有了極大的改進(jìn)，但是注意到憶阻器研究仍處于起步階段。關(guān)于憶阻系統(tǒng)的研究仍在學(xué)術(shù)研究小組中進(jìn)行，大多數(shù)演示都側(cè)重于概念證明，而并非建立實(shí)際系統(tǒng)。為了將基于憶阻器的計算硬件引入實(shí)際應(yīng)用，需要在后期的研發(fā)中著重提高三個方面的特性：擴(kuò)大器件集成規(guī)模、多功能集成、以及與CMOS的系統(tǒng)集成。

圖4：憶阻器技術(shù)的快速發(fā)展

一種方法是增加功能憶阻器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展很大程度上取決于可以集成到系統(tǒng)中的器件的數(shù)量。實(shí)際的存儲器或計算系統(tǒng)可能需要數(shù)十億個功能性憶阻設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這種集成度需要提高憶阻器器件制造的產(chǎn)量以及大學(xué)研究人員與行業(yè)合作伙伴的密切合作。此外，開發(fā)和優(yōu)化系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)以提高硬件的可擴(kuò)展性。令人鼓舞的是，研究已經(jīng)朝這個方向發(fā)展(圖4)。

另一個方面是通過在同一硬件系統(tǒng)中執(zhí)行多個任務(wù)來改進(jìn)系統(tǒng)功能。例如，可以利用相同的物理結(jié)構(gòu)來執(zhí)行不同的功能，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲等功能。這種方法可以產(chǎn)生可擴(kuò)展的計算系統(tǒng)，其可以被動態(tài)地重新配置以適應(yīng)不同的工作負(fù)載。在這種情況下，可以在運(yùn)行時中純粹通過軟件動態(tài)地重新配置(重新定義)相同物理憶阻結(jié)構(gòu)的功能，而無需任何物理硬件修改。為了將這樣一個系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仍然需要解決一些挑戰(zhàn)。例如，與存儲和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，使用憶阻器執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算需要更嚴(yán)格的設(shè)備分布。此外，可能需要長的設(shè)備耐久性循環(huán)以允許有效地執(zhí)行邏輯任務(wù)。最近的設(shè)備研究工作已經(jīng)顯示出有希望的結(jié)果，并且我們相信基于憶阻器的可重新配置計算系統(tǒng)可以是擴(kuò)展系統(tǒng)功能的有吸引力的替代方案。

第三個因子就跨系統(tǒng)整合?？缦到y(tǒng)擴(kuò)展的成功與否主要取決于可憶阻器– CMOS可靠集成。通常，基于憶阻器系統(tǒng)的操作仍然需要一些CMOS電路來提供必要的接口和控制操作。因此，高效的憶阻器-CMOS集成是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益的關(guān)鍵因素。基于芯片級集成或硅通孔的典型方法將無法在憶阻器層和CMOS電路之間提供所需的帶寬。憶阻器與CMOS電路的成功3D集成可以顯著提高系統(tǒng)密度，而不僅僅是簡單的器件縮放。

從根本上擴(kuò)展到3D可以為物理和概念上的更多認(rèn)知架構(gòu)創(chuàng)造新的機(jī)會。例如，受到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巨大規(guī)模的啟發(fā)，早期的認(rèn)知工作探索了大腦如何在高維空間中將概念及其關(guān)系表示為稀疏向量。這些超向量可以具有高達(dá)10,000的維數(shù)，這個數(shù)字部分地由神經(jīng)系統(tǒng)中的連通性證明。在如此大的空間中工作(也受到隨機(jī)性和稀疏性的影響)導(dǎo)致認(rèn)知操作(綁定概念，例如人名和性別)，這可以通過相對簡單的操作來實(shí)現(xiàn)，例如乘法，加法和置換，形成這個空間的代數(shù)稱為超維計算。高維計算的挑戰(zhàn)在于，考慮到維度和預(yù)期的向量數(shù)量(例如，英語中的100,000個單詞)，這些操作仍具有高度內(nèi)存密集性。最近的工作已經(jīng)探索了使用3D垂直結(jié)構(gòu)的具有憶阻陣列的超維計算的實(shí)現(xiàn)兩者生成隨機(jī)矢量和原位執(zhí)行乘法，加法和置換操作。在硬件中實(shí)現(xiàn)這種大規(guī)模系統(tǒng)的能力顯然取決于在三個維度上擴(kuò)展的能力。

化學(xué)和生物計算

在生物啟發(fā)計算中，人們的目標(biāo)是模仿已知的大腦，并希望基于此構(gòu)建更高效的計算系統(tǒng)。但是，特定任務(wù)需要多少生物細(xì)節(jié)仍然是一個懸而未決的問題。例如，不需要大量的生物細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，僅通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在充分訓(xùn)練之后以高精度執(zhí)行諸如圖像分類的任務(wù)。然而，最近的發(fā)展表明，即使對于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更有效的訓(xùn)練算法顯示出與生物學(xué)中觀察到的基于尖峰的學(xué)習(xí)規(guī)則驚人的相似性。關(guān)于生物細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)作用的爭論源于兩個因素：實(shí)施生物類特性的成本增加，以及缺乏對這些特性如何導(dǎo)致實(shí)際功能的理解(來自神經(jīng)科學(xué))。在這方面，如果一個人可以忠實(shí)地模仿硬件系統(tǒng)中的生物行為而幾乎沒有或沒有增加成本 - 通過使用原生具有生物地理特性的設(shè)備，這個問題可能會變得更容易回答?；诖祟愒O(shè)備的硬件系統(tǒng)將在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提供新功能，甚至可能有助于加速神經(jīng)科學(xué)中假設(shè)的制定和測試。

發(fā)現(xiàn)表明，在憶阻器設(shè)備中有可能實(shí)現(xiàn)生物地理特性而無需額外補(bǔ)償。代表性例子是鈣效應(yīng)。突觸后神經(jīng)元中的鈣濃度在突觸前神經(jīng)元的尖峰事件之后增加，然后在幾十毫秒的時間尺度內(nèi)衰減。如果突觸后神經(jīng)元也在該時間范圍內(nèi)發(fā)射，則鈣濃度可以增強(qiáng)到高于觸發(fā)突觸增強(qiáng)的閾值。反過來增強(qiáng)的強(qiáng)度鈣濃度，取決于神經(jīng)元前后峰值的相對時間，這種機(jī)制被認(rèn)為是觀察到的尖峰時間依賴性可塑性和速率背后可能的潛在過程在不增加系統(tǒng)成本的情況下，在實(shí)現(xiàn)生物啟發(fā)網(wǎng)絡(luò)時，設(shè)備級別的這種生物實(shí)際實(shí)現(xiàn)水平具有吸引力。

另一個有趣的例子是研究化學(xué)在生物系統(tǒng)中的作用，其中突觸權(quán)重是通過可以與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合的受體的活性來測量的，其中結(jié)合過程和受體活性又由化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動，例如，酶- 啟用生物催化反應(yīng)。從器件的角度來看，類似的化學(xué)反應(yīng)可以幫助降低操作器件所需的能量并提高器件的可靠性。例如，在憶阻器中的電阻切換期間，通過克服兩個狀態(tài)之間的能壘，將器件從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個穩(wěn)定狀態(tài)。能壘越高，狀態(tài)越穩(wěn)定。然而，更高的能量勢壘意味著更大的偏置電壓，因此，需要更大的功率來對器件進(jìn)行編程。通過模擬生物學(xué)和使用化學(xué)來輔助切換過程，在切換期間可以顯著降低有效能壘，同時在釋放“門控”化學(xué)品之后可以保持高能量勢壘以確保裝置穩(wěn)定性。通過使用具有低能壘的離子(例如，Li離子)以類似電池的方式驅(qū)動導(dǎo)電通道中的充電 - 放電氧化還原反應(yīng)，可以獲得這種化學(xué)“門控”效應(yīng)。在這種情況下，可以在非常低的電壓(例如，5mV)下進(jìn)行切換，從而產(chǎn)生優(yōu)異的功率效率。

除了突觸行為之外，憶阻系統(tǒng)還可替代仿生計算系統(tǒng)中接收，處理和傳輸信息的神經(jīng)元。神經(jīng)元主要表征為接受其他神經(jīng)元的輸入電荷并存起，在超過閾值之后產(chǎn)生相應(yīng)動作電位。神經(jīng)元動力學(xué)的模型可以在生物保真度水平上變化很大。然而，復(fù)制神經(jīng)元行為的關(guān)鍵因素是主動增益，即小輸入信號可以 - 在適當(dāng)?shù)那闆r下 - 產(chǎn)生大量放大和動態(tài)的輸出。因此，神經(jīng)元的固態(tài)實(shí)現(xiàn)必須滿足一些基本的動態(tài)特性。

憶阻器中可實(shí)現(xiàn)“神經(jīng)元”特性的動態(tài)物理的一個重要參數(shù)是器件中的局部溫度。溫度強(qiáng)烈地影響電子(傳輸)和離子(遷移率)性質(zhì)，并且反過來也可能受它們的強(qiáng)烈影響。舉一個簡單的例子，當(dāng)增加電壓掃描到憶阻器時，上升的焦耳加熱和局部溫度激活電子傳輸，這進(jìn)一步增加了強(qiáng)正反饋模式下的焦耳加熱。對于某些材料系統(tǒng)，該過程導(dǎo)致觀察到的負(fù)微分電阻(NDR)，從而在電導(dǎo)中產(chǎn)生強(qiáng)烈但不穩(wěn)定的變化。事實(shí)上，NDR的許多形式最終可以描述為基于耦合到所述電子傳輸內(nèi)部溫度一個正反饋驅(qū)動的效果。因此，由于固有的正反饋，僅需要少量的輸入信號來產(chǎn)生大的效果，因此提供了早先提到的所需的神經(jīng)元放大。

結(jié)論

基于憶阻器的架構(gòu)在馮諾依曼瓶頸和摩爾定律時代之后展示了開發(fā)未來計算系統(tǒng)的巨大潛力。在短期內(nèi)，憶阻器提供的高密度片上非易失性存儲器可以顯著提高傳統(tǒng)的基于馮諾依曼的計算系統(tǒng)的性能，并且可以找到從高性能機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)到低性能的應(yīng)用程序，用于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式芯片。器件技術(shù)和架構(gòu)發(fā)展的進(jìn)一步發(fā)展可能導(dǎo)致基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的大規(guī)模實(shí)施。憶阻交叉開關(guān)提供了本機(jī)解決方案，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行和功率有效的矢量矩陣運(yùn)算，這些運(yùn)算構(gòu)成了神經(jīng)形態(tài)運(yùn)算的基礎(chǔ)。此外，精心設(shè)計的憶阻器設(shè)備可以模仿生物學(xué)對應(yīng)的動力學(xué)。最終，我們期待一個基于憶阻器的通用內(nèi)存計算平臺(圖5)。這個高效且可重新配置的計算平臺，稱之為內(nèi)存處理單元，可以執(zhí)行不同的任務(wù)-數(shù)據(jù)存儲，算術(shù)，邏輯和神經(jīng)形態(tài)計算?？梢哉f，基于憶阻器的存儲器處理單元等體系結(jié)構(gòu)是計算范式的自然演化，遵循從中央處理單元到圖形處理單元的相同趨勢，轉(zhuǎn)向更細(xì)粒度和高度平行的結(jié)構(gòu)(圖 5))。

圖5：計算系統(tǒng)的可能演變

從具有獨(dú)立處理器和內(nèi)存(中央處理單元，CPU)的傳統(tǒng)架構(gòu)開始，具有數(shù)千個較小內(nèi)核和更快內(nèi)存訪問的圖形處理單元(GPU)已成為當(dāng)今數(shù)據(jù)密集型計算任務(wù)的主力。所提出的存儲器處理單元(MPU)架構(gòu)將延續(xù)這一趨勢，并最終將最小顆粒的存儲器和邏輯完全共存 - 單個設(shè)備級別，以便有效處理各種計算任務(wù)。

我們注意到生物學(xué)一直服務(wù)并將繼續(xù)作為開發(fā)實(shí)現(xiàn)低功耗和實(shí)時學(xué)習(xí)系統(tǒng)的方法的巨大靈感。然而，正如自然界中的鳥類可能激發(fā)了現(xiàn)代航空技術(shù)的靈感，我們最終在新的方向和能力方面邁進(jìn)了更快的旅行，更大的承載能力和完全不同的加油要求。類似地，在計算中，現(xiàn)代應(yīng)用程序需要超越自然界面臨的那些，例如搜索大型數(shù)據(jù)庫，有效地調(diào)度資源或解決高度耦合的微分方程組。有趣的是，憶阻器中觀察到的一些特征可能同樣在計算中提供“超越生物學(xué)”的機(jī)會，利用新穎的設(shè)備動態(tài)行為和受生物學(xué)啟發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ谶@方面，諸如存儲器處理單元的概念代表了真正令人興奮的機(jī)會。要實(shí)現(xiàn)這些以及未來的其他新計算系統(tǒng)，將需要超越任何單一學(xué)科的持續(xù)和創(chuàng)造研究，并且必須包括來自神經(jīng)科學(xué)，物理學(xué)，化學(xué)，計算機(jī)科學(xué)以及電氣和計算機(jī)工程等的見解。

參考文獻(xiàn)：The future of electronics based on memristive systems，Mohammed A. Zidan, John Paul Strachan & Wei D. Lu. Nature Electronics, 2018, 1, 22–29