冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该架构中，计算机的计算和存储功能分别由中央处理器和存储器独立完成，而它们之间的通信要通过总线来进行。随着AI极速发展，芯片算力呈爆发式增长，当执行这种以大数据为核心的计算任务时，数据需要在计算单元和存储单元之间来回搬移，导致总线拥挤，访问存储单元的速度远低于计算单元的运算速度，使系统面临着能耗高、速度慢等问题。为实现更为有效的数据运算和更大的数据吞吐量，“存算一体”被认为是未来计算芯片的架构趋势，而作为该架构的核心元件忆阻器及其相关材料也展现出了巨大的应用前景。

（来源：网络）

忆阻器存算一体技术

存算一体架构，即是将传统以计算为中心的架构转变为以数据为中心的架构，把数据存储和计算功能集成在同一芯片上，使得在处理以大数据为核心的任务时，可以在能效和速度上较“冯·诺依曼架构”实现几个数量级的提升。而忆阻器能够通过电流控制其阻值，并在断电后仍能保持之前的阻值状态，实现了对电路中信息的记忆。利用这一特性，忆阻器可以在同一芯片上集成存储和计算能力，完美契合了存算一体架构的需求。

传统冯诺依曼架构与忆阻器存算一体架构区别（来源：EETOP）

忆阻器的分类及材料选择

忆阻器通常由金属-介质-金属的夹层结构组成，包含2层电极和1层忆阻功能层，为了实现忆阻器的功能，所选用的忆阻器材料必须满足以下基本条件：高的电阻比，良好的均匀性以及相匹配的成熟制造工艺和设备。目前，忆阻器主要有阻变随机存储器（RRAN）、相变存储器（PCM）、磁随机存储器（MRAM）和铁电存储器四种，他们所采用的材料不同，工作原理也不尽相同。

1.阻变随机存储器（RRAN）

阻变随机存储器的阻变机理依赖于阻变介质中导电通道的形成与断裂，即利用偏压变化在介质中产生导电细丝(SET,高阻态变为低阻态，写“1”)或使导电细丝破裂(RESET,低阻态变为高阻态，写“0”)来实现信息的写入，依靠测量电阻的大小来实现信息的读取目前研究较多的阻变随机存储器有氧空位通道型阻变器件以及金属通道型阻变器件。前者的阻变过程依赖于介质层内形成的氧空位导电细丝，其阻变特性与氧离子迁移密切相关，目前这种忆阻器的中间层介质多为绝缘的过渡族金属氧化物，如氧化铪(HfO_x)和氧化钽(TaO_x)等。而后者结构通常包括活泼电极（Ag或Cu等），阻变介质层（固态电解质，也可以是氧化物材料）和惰性电极3个部分，与前者不同，其阻变特性主要依靠电极电离出来的金属阳离子移动而实现：在正压激励下，活泼电极发生电化学反应，产生金属阳离子。这些阳离子在电场作用下漂移通过阻变介质层，在惰性电极附近还原为金属原子并逐渐堆积，直至形成连接两端电极的金属桥（导电细丝），器件被设置到低阻态。而在相反电压激励下，金属桥发生电化学溶解，器件重置（reset）为高阻态。

金属通道型阻变器件的阻变原理（来源：参考文献1）

与传统的存储器相比，阻变随机存储器具有高速度、低功耗、较高的耐久性以及非易失特性，但是其物理机理基于缺陷理论，阻变过程很难控制，导致器件一致性差，对其器件结构、集成工艺技术和电路设计技术等提出了挑战。

2.相变存储器

相变存储器（PCM）是相对成熟的非易失性存储技术之一，其工作机理主要依靠如Ge₂Sb₂Te₅(GST）等相变材料，这类材料在温度达到一定高度时，晶体结构会发生转变，从晶态转变为非静态，即相变。由于这种相变过程是可逆的，且其在晶态和非晶态之间的电阻有很大差异（在非晶态下呈现高阻态，在晶态下呈低阻态），因此可以通过施加特定电压脉冲产生的焦耳热使其转变为非晶态，通过缓慢冷却使其重新转变为晶态，而实现对数据的存储及读取。

相变存储器及其R-V特性（来源：参考文献3）

目前尽管PCM研究已经较为成熟，但在复位过程中通常会遇到需要大电流的问题，即通过将相变材料熔化为非晶态的过程需要较大的能耗，这为其在大规模集成等能源敏感应用中的广泛应用带来了挑战。

3.磁随机存储器（MRAM）

磁随机存储器是由上下两个由铁磁材料构成的磁性层以及中间的超薄绝缘材料（1-2nm）构成的隧穿层构成的三明治结构。这2个磁性层中，一个是参考磁层，具有固定的磁化方向，而另一个是自由层，可以在2种方向之间切换，因此上下两个磁性层的平行和反平行态在隧穿磁阻效应下能够表现出低电阻Rp和高电阻Rap两种状态。

磁效应忆阻器的结构及其R-V特性（来源：参考文献3）

目前最成功的一类MRAM为自旋转移扭矩磁随机存储器（STT-MRAM），其利用可自旋转移力矩效应可改变自由层的磁化方向，当电子从参考层流向自由层时，电子自旋会在参考层中发生极化，随后自旋角动量转移到自由层，使得自由层与参考层磁化方向相同，此时MTJ处于低阻状态；相反则自旋方向与自由层相反的电子会被固定层反射回自由层，从而使得自由层与参考层磁化方向相反，此时MTJ处于高阻状态。

由于除了其本身具备优秀的非易失性能，还具有快速的写入和读取速度，与CMOS后道工艺（back-end-of-line，BEOL）兼容和优秀的高密度集成能力，STT-MRAM被认为是下一代通用存储器技术的最有力竞争者之一，不过随着集成密度的升高，磁隧道结器件关键尺寸不断缩小，STT-MRAM写入时较高的电流密度对势垒层的损伤和引起数据存储可靠性的问题亟待解决。

4.铁电存储器

铁电存储器通常在两个电极板中沉淀了一层PZT (锆钛酸铅)、HfO₂（二氧化铪）等晶态铁电晶体薄膜，依靠外加电场改变这些铁电材料的极化状态，可以引起器件电阻值的变化。以PZT材料为例，锆(Zr) 或钛(Ti)离子在晶格中占据两个稳定位置，但由于两个稳定位置都偏离电荷中心，因此在铁电材料中会出现两个相反方向的极化。当在没有外加电场的情况下，A位的铅（Pb）离子、B位的锆（Zr）和钛（Ti）离子以及氧（O）离子之间的不对称配位环境，导致材料内部存在一个净电偶极矩，而会发生自发极化。而当外加电场超过一定阈值时，PZT中的电偶极子将会重新排列，使材料的总体极化方向发生改变。因此，在PZT铁电存储器中，可通过施加正向或负向的电场使材料中的电偶极子朝向相反的方向重新排列，而改变器件电阻值。

基于PZT薄膜的铁电存储器结构及原理（来源：eenewseurope）

不过，值得注意的是，尽管PZT具有良好的铁电性能，但在长期使用过程中，特别是在频繁的极化反转过程中，材料由于反复的极化反转可能导致材料内部产生缺陷或裂纹，导致经历所谓的“疲劳”效应，即铁电性能逐渐下降。

参考文献：

1、江之行,席悦,唐建石,等.忆阻器及其存算一体应用研究进展[J].科技导报.

2、Semi Connect，《阻变存储器ReRAM》.

3、AI科技大本营，《基于新型忆阻器的存内计算原理、研究和挑战》

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