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。通過測定憶阻的阻值，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)不再需要搬來搬去，可以大大降低存算所帶來的消耗。憶阻器為計(jì)算帶來新未來我們可以簡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題，不過憶阻器的技術(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)模型的語音識(shí)別硬件系統(tǒng)。憶阻器的技術(shù)突破，讓市場看到了低功耗、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)憶阻器的確為未來的計(jì)算打開了大門。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)間漂移的問題，需要復(fù)雜的電路或算法補(bǔ)償來彌補(bǔ)這些缺陷。因此也不是完美無缺的憶阻器方案。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，寫入操作通過橫向電流實(shí)現(xiàn)，讀取操作通過縱向電流實(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AI性能帶來負(fù)面影響。根據(jù)TDK給出的預(yù)期，該器件未來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)開始，憶阻器的研究就沒有中斷過，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。
