编辑推荐 | 易失性阈值转变忆阻器：AIoT时代的新兴推动者

来源:中科院半导体所发布时间:2023-05-264252浏览

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文章来源：半导体学报

作者：半导体学报

文章信息：

Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era

Wenbin Zuo, Qihang Zhu, Yuyang Fu, Yu Zhang, Tianqing Wan, Yi Li, Ming Xu, Xiangshui Miao

J. Semicond.2023, 44(5): 053102 doi: 10.1088/1674-4926/44/5/053102

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内容简介

随着人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速发展与深度融合，AIoT已成为备受关注的新兴技术，悄然改变着人们的日常生活。然而，数据的爆炸式增长对AIoT系统的信息存储和处理能力提出了挑战。易失性阈值转变忆阻器作为一种新兴的纳米器件，具有结构简单、低功耗、易集成，以及与CMOS工艺兼容等优势，被广泛应用于选通管、人工神经元、真随机数产生（TRNG）等领域，有助于高密度存储和高能效计算的硬件实现，推动AIoT技术的发展。

图1. 面向AIoT系统中数据与信息的采集、存储、处理以及传输，易失性阈值转变器件的具体应用场景：痛觉感知器/人工感知神经元、选通管、脉冲人工神经元、TRNG等。

近日，华中科技大学李祎副教授、缪向水教授团队对近年来易失性阈值转变忆阻器的研究进展进行了系统性的概述与总结。主要包括：

（一）易失性忆阻器的分类与物理机制。依据器件阻变机理，可以将易失性忆阻器分为金属导电细丝型、OTS型和MIT型三类，并对三类器件的材料、结构、性能、机理进行了详细介绍。

图2.三种易失性阈值转变器件：金属导电细丝型、OTS和MIT。

（二）面向AIoT系统中数据与信息的采集（传感）、存储、处理（计算）和传输安全，详细分析了易失性阈值转变忆阻器的应用场景，具体包括：

1) 选通管（Selector）。为了抑制交叉存储阵列的漏电流问题，往往引入选通管与存储单元集成设计。相比于非易失性器件，易失性忆阻器作为选通管时，不需要额外的复位操作，简化了外围电路的设计，有助于存储芯片的高密度集成；

2) 硬件安全（Hardware Security）。由于易失性忆阻器的本征随机特性，比如Vth的波动性，使其可以作为熵源，用于物联网安全验证的真随机数产生器（TRNG），以及物理硬件的唯一特征指纹——物理不可克隆函数（PUF）；

3) 人工神经元（Artificial Neurons）。易失性忆阻器与生物神经元有极大的相似性，可以极其忠实的模拟生物神经元的功能，比如全或无（all-or-nothing）、阈值激发、不应期等；

4) 人工感知器。易失性忆阻器可以与其他器件串联，用于人工感知器，比如痛觉感知器，可以对外部的刺激信号（光、声、电、压力等）进行收集与传递；

5) 其他方面的应用。易失性忆阻器还可以应用于超陡亚阈值摆幅晶体管（Steep Subthreshold Slope Transistor）、逻辑器件等。

最后，针对不同的应用场景，对易失性忆阻器的性能特点进行了总结，并提出可行的性能优化方向。同时，对其应用场景的发展进行了总结与展望。

图3. 三类易失性阈值转变器件的性能特点与比较。

该文章以题为“Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era”发表在Journal of Semiconductor上。

作者简介

通讯作者

李祎，华中科技大学集成电路学院副院长，副教授，博士生导师。

研究主要面向后摩尔时代需求，研发忆阻器（Memristor）、阻变存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM）等新兴半导体器件，研究其物理机制、性能调控及规模集成，开发其非易失性高性能存储（Nonvolatile Memory）、类脑神经形态计算（Brain-Inspired Neuromorphic Computing）、存算一体化/存内计算（In-memory computing）、机器学习加速引擎（ML Accelerator and AI Engine）等新兴功能及应用，发展存储与计算融合的非冯·诺依曼计算原理和硬件，以突破传统“图灵-冯氏-硅基”计算范式和硬件的算力和能效瓶颈。在Science Advances、IEEE EDL、IEEE TED、IEEE TCASII、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Advanced Electronic Materials、Advanced Intelligent Systems、Applied Physics Letters、Science China: Information Science等国际期刊发表论文70余篇；在IEDM、IMW、EDTM、IEEE ICTA、VLSI-TSA等领域重要会议发表论文10余篇。出版学术专著《忆阻器导论》（2018，科学出版社）。撰写英文专著（Elsevier, Springer, wiley）Chapter 4章。申请发明专利90余项，已授权美国专利9项、中国发明专利50余项。主持国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目课题、国家自然科学基金“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划培育项目、面上项目、青年项目各1项，主持华为合作研究课题3项。曾先后获得2015年度湖北省优秀博士学位论文，2021年中国科协第六届青年人才托举工程项目，2021年“3551光谷人才计划-光谷产业教授”。

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！