关于算法:RRAM机制材料及其在神经形态计算中的应用

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近年来，RRAM 因其构造简略、放弃工夫长、运行速度快、超低功耗运行能力、可能在不影响器件性能的状况下扩大到更低的尺寸以及可进行三维集成的可能性而日益受到重视。过来几年的钻研表明，RRAM 是后 CMOS 时代设计高效、智能和平安计算零碎的最合适候选者之一。

半导体电子学畛域在过来十年中迅速增长，对人类社会产生重大影响。这归因于信息通信技术畛域的空前增长，以及工程技术畛域的各个领域对高效信息处理系统需要的减少。信息技术零碎的疾速倒退彻底改变了智能手机、微型计算机和物联网（IoT）设施等产品，这些产品须要高性能计算技术。古代产品由电气和机械组件组成，成为了将硬件、数据存储、传感器、软件、微处理器和多种连贯形式多种形式组合在一起的简单零碎。传统计算零碎利用冯·诺依曼体系结构执行计算工作，但因为 CPU 和内存之间的差距一直增大，物理上拆散的内存和计算单元产生了大量提早和高能耗，即“冯·诺依曼瓶颈”。自 20 世纪 60 年代以来，通过放大电子器件尺寸和升高集成电路（ICs）的制作老本来加强设施的计算能力。然而，冯·诺依曼体系结构的固有缺点限度了计算能力的晋升。因而，钻研人员将注意力转向了阻性随机存取存储器（RRAM）等新型数据处理技术，以解决内存不足的问题。RRAM 被视为现有 CMOS 设施的有心愿的替代品，具备诸多劣势，如可扩展性、高数据保留性、低功耗和绝对较高的速度。RRAM 采纳电阻切换存储器技术，可实现多位信息存储，并通过管制丝形体的造成和切换来进步平均性和稳定性。因为其现代化的需要，RRAM 技术正朝着全面商业化迈进，其在将来几年内的发展前景广大。

RRAM 设施的钻研最后始于 20 世纪 60 年代初，将电阻性切换归功于 Hickmott。过后，电阻性切换景象在多种氧化物资料中失去报告。然而，随后几年对电阻性切换景象的钻研并没有获得冲破。直到 2000 年，休斯顿大学的钻研人员察看到了磁电阻薄膜中的电阻性切换景象，重新点燃了对 RRAM 钻研的激情。2002 年，Zhuang 等人报道了基于 Pr0.7Ca0.3MnO3 的 64 位 RRAM 阵列。在 2004 年至 2007 年期间，英飞凌和三星的钻研团队获得了显著的研究成果，首次展现了 3D RRAM 阵列。在 2004 年，三星展现了一个基于二元过渡金属氧化物的简略 RRAM，齐全集成了 0.18 微米 CMOS 技术。2008 年，惠普的 Strukov 等人发表了《天然》杂志上的论文，扩大了 RRAM 的用处，被认为是 RRAM 倒退的转折点。2010 年，unity 半导体胜利展现了 64MB 的 RRAM 原型测试芯片。接下来的几年里，SanDisk/ 东芝展现了 24 纳米技术的 32Gb RRAM 存储器设施，而 Micron/ 索尼展现了 27 纳米技术的 16Gb RRAM 原型。2016 年，中国科学院微电子研究所的 Qing 等人报告了超低功耗的三维垂直十字形 RRAM 阵列。2020 年，TSMC 发表在 40 纳米和 22 纳米节点上生产 RRAM。2021 年 9 月，Weebit Nano 与美国 Skywater 达成协议，将 RRAM 技术投入量产。Weebit Nano 生产的 ReRAM 被称为老本效益高、在低温范畴内具备加强的耐久性和保留性、对辐射和电磁场具备容忍性，并且不会对前端模仿组件造成烦扰。RRAM 倒退历史上最重要的事件具体列在图 2 所示的时间轴图中。

2022 年 2 月，《电子周刊》发表的文章提到，IMEC 与 Intrinsic Semiconductor Technologies 单干，胜利扩大了其基于氧化硅的 RRAM，并展现了现实的个性，从而为逻辑器件中非易失性存储器的老本效益和加强性能铺平了路线。用于边缘人工智能和物联网利用的先进解决节点。最近，2022 年 8 月，斯坦福大学工程师推出了一款名为“NeuRRAM”的新型 RRAM 芯片，该芯片在内存中具备 AI 解决能力，从而无需独自的计算和内存单元。这篇发表在 Nature 上的文章宣称该芯片只有指尖大小，比以后最先进的芯片具备更多的解决能力和更少的电池耗费。

RRAM 的器件构造是简略的金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）构造，相似电容器，其中的切换层夹在两个金属电极之间。RRAM 细胞的示意图如图 3 所示。MIM 构造的电阻能够通过施加适当的电信号而扭转，并且设施会放弃以后的电阻状态，直到施加适当的信号以扭转其电阻，代表了器件的非易失性质[37, 38]。因为 RRAM 器件的简略构造，它能够轻松集成在带有 4F2（F 是最小特色尺寸）的无源十字阵列中，并且能够在垂直重叠的三维（3D）架构内将尺寸进一步减小至 4F2/n（n 是十字阵列的重叠层数）。

在 RRAM 中，通过在电极之间施加内部电压脉冲来扭转器件的电阻。RRAM 背地的固有物理现象是电阻性转换（RS），这意味着在内部电刺激下，设施能够自在地编程为高电阻状态（HRS，或关断状态）或低电阻状态（LRS，或通断状态）。传统的存储器件以二进制模式存储数据，“0”代表未存储的数据，“1”代表已存储的数据。RRAM 设备利用氧化和还原等氧化还原反馈来进行无效的数据存储，在这种反馈中，氧化还原反馈在绝缘体内造成导电丝（CF）在两个金属电极之间。因为内部电脉冲的作用，导电丝在 RRAM 的两个金属电极之间造成，设施被认为处于低电阻状态（LRS），通常称为逻辑状态“1”。当导电丝破裂时，设施被认为处于高电阻状态（HRS），通常称为逻辑状态“0”。图 4 显示了 RRAM 的操作机制的示意流程图。

3D 计算构造排列显著进步了存储器的能耗和带宽拜访。近年来，曾经在单个器件级别对许多垂直 RRAM 架构进行了试验钻研，它们仿佛是很有前途的。然而，要齐全实现 3D 存储系统，须要解决许多根本技术问题，其中一些包含低电阻铜互连与低介电层之间的问题，因为晶体管互连导致的热估算不兼容。因而，须要评估 3D RRAM 零碎在阵列级别的性能。曾经提出了几种建模办法来钻研基于写入 / 读取方案设计、几何缩放趋势以及器件参数等的 3D RRAM 构造。

图 a 显示了 3D 程度 RRAM 阵列。3D 垂直 RRAM 阵列被视为一组垂直排列的 2D 立体，通常由抉择线（SL）抉择，如图 b 所示。解码通常由 SL、位线（BL）和字线（WL）实现。每个垂直电极的边缘与一个 WL 相连。柱体与阵列底部的 BL 连贯。用于操作与柱体电极串联的垂直晶体管的 SL。然而，对于特定蚀刻横径比（AR）的 3D 排列，最大高度限制可在已知特色尺寸（F）时计算；当柱体电极的直径（d）加上两倍的 RRAM 绝缘氧化物厚度（tox）时，能够确定 F；此外，F 被视为相邻柱体电极核心之间间隔的一半。因而，每个层由一个厚度为（tm）的立体电极和一个厚度为（ti）的拆散层组成。利用电阻率和这些几何因素，能够计算立体和柱状互连的电阻。利用位老本可扩大（BICS）技术，将 3D 垂直 RRAM 架构用于将存储单元搁置在立体电极和垂直柱体之间作为 3D NAND 闪存的代替计划。

传统上，RRAM 能够实现存储和存储器设施的指标。在 RRAM 中产生模仿或渐变的切换。这种类型的切换在须要精确的导电变动的神经形态学利用中十分重要。为了解决与人工智能相干的问题，将 RRAM 与 CMOS 技术集成能够被证实十分无效。神经状态计算架构须要低功耗和高密度的构造，每个单元至多具备 5 位 / 单元的存储。基于 RRAM 的神经网络的原型，采纳 Ag 掺杂 SiO𝑥N𝑦构造的 8×8 1T1R 阵列。

a. 1T1R 构造的 8×8 基于 RRAM 的神经网络的光学图像。b. 1T1R 单元的扫描电子显微镜图像，c. 单个 1R 单元的图像。d. 输出模式，e. 峰值神经电流，f. 每个训练周期的突触权重。g. 短期突触可塑性的试验察看。h. 基于间隔时间的漂移电阻突触与扩散电阻突触串联的导电（权重）变动，显示生物真切的 STDP。i. 用于面包板上 TRNG 利用的 RRAM 器件的电路安排。j. 对 1 kHz 输出电压脉冲的一个计数器输入。k. TRNG 器件中间断开关循环中随机二进制输入翻转状态。

自物联网设施日益重要以来，eNVM（非易失性存储器）设施的重要应用领域之一是硬件安全畛域。在存储利用中，须要指出的是，eNVM 的随机性是不受欢迎的；相同，随机状态变动更适宜用作平安利用的熵源。在平安利用中，STTRAM 和 RRAM 是次要竞争者，在操作条件管制下，eNVM 设施的随机电报噪声、电阻、开关电压和开关产量的可变性十分重要。对于基于 RRAM 设施的平安零碎，随机性是各种利用（如物理不可克隆性能（PUF）和真随机数生成器（TRNG））的要害特色。对于这些设施，外在的随机个性是熵变动（随机性）的重要起源，用于生成随机数和加密密钥。从 LRS 或 HRS 的周期到周期和器件到器件的变动用于实现 TRNG 设施中的变动。报道了一种基于挥发性扩散 RRAM 的 TRNG，该 TRNG 利用了 Ag 掺杂的 SiO2 构造中金属原子的扩散动力学。图 29i- k 显示了电路安排，包含一个 Ag 掺杂的扩散型 RRAM、一个比拟器、一个 AND 门和一个计数器。在这种状况下，熵的起源被认为是延迟时间的外在随机性。图 29i、j 显示了应用简略的基于板板的电路建设的试验设置和应用示波器监测的原型工作，别离。应用具备恒定幅度（𝑉1 = 0.4 V）和 300 和 700 𝜇s 距离（即 1 kHz 频率）的脉冲列。对于初始状态，位放弃在低逻辑电平（“0”），计数器在一段延迟时间后开始接管时钟信号（以 4 MHz），位在低电平和高电平之间迅速扭转其状态（“0”和“1”）。计数器在输入脉冲（𝑉1）完结时进行计数，同时放弃其之前的状态，直到接管到下一个计数信号。微控制器将此前状态读取为输入位。因为每个周期延迟时间的随机性质，每个脉冲后计数器输入齐全不可预测，并在四个间断的 ON 切换周期中随机翻转二进制位，从“1”→“0”→“0”→“1”→“0”。

在过来的几十年里，人们在 RRAM 技术畛域做出了微小的致力，次要集中在研发畛域，旨在将其商业化并对其进行理解。截至明天，它的采纳依然无限，而且它的了解依然不残缺。RRAM 技术提供了许多值得钻研和开发的独特属性，并有助于克服困难的扩大阻碍。在这项工作中，咱们概述了 RRAM 器件在各个领域的停顿，包含利用于 RS 层和电极的薄膜资料、RS 机制的分类和人工突触的钻研。应用氧化物、固体电解质和二维资料等有机资料制备基于 RRAM 的器件已在各种钻研工作中失去报道，器件体现出绝对成熟的性能。因而，RRAM 器件具备有机资料广大的利用前景。器件的性能在很大水平上取决于 RS 机制，这也与薄膜资料的抉择和加工技术有很大关系。基于不同资料的 RRAM 技术在大规模商业化方面体现出了微小的后劲，前景非常广大。除了传统的大规模商业化过程之外，剖析不同 RRAM 器件性能的更大指标是为人工智能和神经状态计算零碎提供潜在的帮忙。RRAM 器件能够通过电性能模拟生物突触的性能，这对人工智能畛域的硬件利用产生踊跃影响。此外，它的 STM 和 LTM 等类人脑行为使得神经状态计算零碎在将来的倒退成为可能。只管遥感器件的大规模利用和产业化还有很长的路要走，但随着钻研的不断深入，新型低维纳米材料已被证实是一种有前途的候选资料，对性能晋升的副作用较小，也将保障小型器件的制作。维度安装。随着大数据时代的到来，对存储阵列、神经拟态计算和通明柔性器件的 3D 集成有微小的需要。将来低维纳米材料无疑将在此类畛域施展不可代替的作用。

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阐明：本文来自 CSDN 存内社区，原文作者：叫我兔兔酱
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正文完