新存儲(chǔ)設(shè)備，替代DRAM和NAND

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是一種類(lèi)腦計(jì)算范式，一般是指在神經(jīng)形態(tài)芯片上運(yùn)行脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Spiking Neural Network，SNN）。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算旨在通過(guò)模仿構(gòu)成人腦的神經(jīng)元和突觸的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)人工智能（AI）。本質(zhì)來(lái)講，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，是一種由算法驅(qū)動(dòng)硬件的設(shè)計(jì)范式。憑借低功耗的優(yōu)點(diǎn)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算也被認(rèn)為是替換傳統(tǒng) AI 的「潛力股」。受當(dāng)前計(jì)算機(jī)無(wú)法提供的人腦認(rèn)知功能的啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)設(shè)備已被廣泛研究。

近日，韓國(guó)研究人員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的存儲(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備可用于替換現(xiàn)有內(nèi)存或用于為下一代人工智能硬件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，且其具有處理成本低和超低功耗的優(yōu)勢(shì)。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）4 月 4 日宣布，電氣工程學(xué)院 Shinhyun Choi 教授的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有超低功耗的下一代相變存儲(chǔ)器器件，可以取代 DRAM 和 NAND 閃存。

相變存儲(chǔ)器（PCM）是一種通過(guò)使用熱量將材料的晶體狀態(tài)改變?yōu)榉蔷B(tài)或結(jié)晶，從而改變其電阻狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)和/或處理信息的存儲(chǔ)設(shè)備。相變存儲(chǔ)器因其低延遲、非易失性存儲(chǔ)器特性和高積分密度而被認(rèn)為是解決馮·諾依曼瓶頸的有前景的候選者。現(xiàn)有的相變存儲(chǔ)器存在制造大規(guī)模器件的制造工藝成本高昂、運(yùn)行功率大等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，Choi 教授的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種超低功耗相變存儲(chǔ)器件，通過(guò)電學(xué)形成非常小的納米級(jí)可相變絲，而無(wú)需昂貴的制造工藝。這項(xiàng)新開(kāi)發(fā)具有突破性的優(yōu)勢(shì)，不僅具有非常低的處理成本，而且還能夠以超低功耗運(yùn)行。

DRAM 是最常用的存儲(chǔ)器之一，速度非常快，但具有易失性特性，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)消失。NAND 閃存是一種存儲(chǔ)設(shè)備，讀/寫(xiě)速度相對(duì)較慢，但它具有非易失性特性，即使在電源被切斷時(shí)也能保存數(shù)據(jù)。

另一方面，相變存儲(chǔ)器結(jié)合了 DRAM 和 NAND 閃存的優(yōu)點(diǎn)，具有高速和非易失性特性。出于這個(gè)原因，相變存儲(chǔ)器被強(qiáng)調(diào)為可以取代現(xiàn)有存儲(chǔ)器的下一代存儲(chǔ)器，并且作為一種模仿人腦的存儲(chǔ)技術(shù)或神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)正在被積極研究。

然而，傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器件需要大量的功率才能運(yùn)行，因此很難制作出實(shí)用的大容量存儲(chǔ)器產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)。為了最大限度地提高存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行的熱效率，以前的研究工作側(cè)重于通過(guò)使用最先進(jìn)的光刻技術(shù)來(lái)縮小設(shè)備的物理尺寸來(lái)降低功耗，但它們?cè)趯?shí)用性方面遇到了局限性，因?yàn)楣牡母纳瞥潭群苄?，而制造的成本和難度隨著每次改進(jìn)而增加。

為了解決相變存儲(chǔ)器的功耗問(wèn)題，Shinhyun Choi 教授的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種在極小面積內(nèi)電化形成相變材料的方法，成功實(shí)現(xiàn)了超低功耗相變存儲(chǔ)器件，其功耗比使用昂貴的光刻工具制造的傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器件低 15 倍。

圖 1. 本研究開(kāi)發(fā)的超低功耗相變存儲(chǔ)器件的圖示，以及新開(kāi)發(fā)的相變存儲(chǔ)器件與傳統(tǒng)相變存儲(chǔ)器件的功耗比較

Shinhyun Choi 教授對(duì)這項(xiàng)研究在未來(lái)的新研究領(lǐng)域中的發(fā)展充滿信心，他表示：「我們開(kāi)發(fā)的相變存儲(chǔ)器件具有重要意義，因?yàn)樗峁┝艘环N新穎的方法來(lái)解決生產(chǎn)存儲(chǔ)器中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。裝置大大提高了制造成本和能源效率。我們預(yù)計(jì)我們的研究結(jié)果將成為未來(lái)電子工程的基礎(chǔ)，使包括高密度三維垂直存儲(chǔ)器和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)在內(nèi)的各種應(yīng)用成為可能，因?yàn)樗_(kāi)辟了從各種材料中進(jìn)行選擇的可能性?！?/span>

該研究由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）電機(jī)工程學(xué)院博士生 See-On Park 和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）電機(jī)工程學(xué)院博士生 Seokman Hong 作為第一作者參與，于 4 月 4 日發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）4 月號(hào)上。（論文題目：Phase-Change Memory via a Phase-Changeable Self-Confined Nano-Filament）

該研究得到了韓國(guó)下一代智能半導(dǎo)體技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目、PIM AI 半導(dǎo)體核心技術(shù)開(kāi)發(fā)（器件）項(xiàng)目、韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)優(yōu)秀新興研究項(xiàng)目和國(guó)家納米晶圓中心半導(dǎo)體工藝納米醫(yī)療器件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的支持。