憶阻器

憶阻器英文名為memristor, 由“Memory” 與”Resistor“合成，用符號(hào)M表示，與電阻R，電容C，電感L構(gòu)成四種基本無(wú)源電路器件，能夠?qū)崿F(xiàn)0、1信息存儲(chǔ)，是一種新一代非易失存儲(chǔ)器，通常稱為阻變存儲(chǔ)器（RRAM）。憶阻器具有高速、低功耗、易集成、以及與CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)②。

本期白皮書內(nèi)容主要包括：

■ 概述

■ 憶阻器測(cè)試

? 憶阻器參數(shù)表征、分類及測(cè)試流程

? 憶阻器基礎(chǔ)研究測(cè)試

? 憶阻器性能研究測(cè)試

i. 非易失存儲(chǔ)器性能測(cè)試

ii. 神經(jīng)突觸阻變動(dòng)力學(xué)測(cè)試

? 憶阻器集成及應(yīng)用研究測(cè)試

? 憶阻器/神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的必要性

■ 泰克憶阻器/神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)

概述

憶阻器是連接磁通量與電荷之間關(guān)系的紐帶（圖一），在無(wú)源電路器件中，R揭示了電壓與電流之間的關(guān)系，L揭示了電流與磁通量之間的關(guān)系，C揭示了電壓與電量之間的關(guān)系，而電量與磁通量之間的關(guān)系，很久以來(lái)一直未受到關(guān)注。1971年，美籍華裔科學(xué)家蔡紹棠教授從電路理論完備性角度預(yù)測(cè)除電阻、電容、電感之外，還存在第四種遺失的無(wú)源基本電路元件，表征電荷與磁通量之間的關(guān)系，并從數(shù)學(xué)上進(jìn)行了推到（圖二），將該遺失的無(wú)源器件命名為憶阻器②。

盡管理論上早已推導(dǎo)出憶阻器的概念，但由于上世紀(jì)七八十年代半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，這一理論并未引起重視。直到2006年，HP實(shí)驗(yàn)室才證明了Crossbar 結(jié)構(gòu)的憶阻器的存在，并于2008年在《Nature》上發(fā)表。

隨著憶阻器研究的不斷深入，多種實(shí)現(xiàn)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)（圖三），主要分為無(wú)機(jī)憶阻物理機(jī)制與有機(jī)憶阻物理機(jī)制?，F(xiàn)階段各方面性能均衡且接近實(shí)用的RRAM主要是基于氧空位或金屬絲導(dǎo)電通道的憶阻器件，這兩類器件的研究最廣泛，物理機(jī)制了解得最深入，調(diào)控方法也最完善。相比而言，其它機(jī)理的憶阻器件還需更多更深入的研究工作②。

在憶阻器研究不斷取得新成果的同時(shí)，基于憶阻器的多功能耦合器件也成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)，成為新型信息器件的重要發(fā)展路徑。這些新型耦合器件包括：磁耦合器件、光耦合器件、超導(dǎo)耦合器件、柔性憶阻器件、鐵電耦合器件等②。

憶阻器研究涉及微電子、凝聚態(tài)物理、材料學(xué)、電路與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、人工智能和神經(jīng)生物學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，屬于新興交叉學(xué)科②。

憶阻器備受關(guān)注的重要應(yīng)用領(lǐng)域包括：非易失存儲(chǔ)（Nonvolatile memory），邏輯運(yùn)算（Logic computing），以及類腦神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（Brain-inspired neuromorphic computing）等。這三種截然不同又相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)路線，為發(fā)展信息存儲(chǔ)與處理融合的新型計(jì)算體系架構(gòu)，突破傳統(tǒng)馮·諾伊曼架構(gòu)（圖四左）瓶頸，提供了可行的路線。

基于憶阻器非易失性邏輯運(yùn)算的架構(gòu)為數(shù)字式信息存儲(chǔ)與處理融合方式（圖四右），圖五示意出一個(gè)64 level的憶阻器，相當(dāng)于8bit 乘法器+8bit加法器+8bit存儲(chǔ)器，完美詮釋了憶阻存儲(chǔ)與計(jì)算的融合。

基于憶阻器的類腦神經(jīng)形態(tài)計(jì)算架構(gòu)為模擬式信息存儲(chǔ)與處理融合方式。類腦計(jì)算是借鑒神經(jīng)科學(xué)處理信息的基本原理，面向人工智能，發(fā)展新的非馮諾依曼計(jì)算技術(shù)。類腦計(jì)算系統(tǒng)是人工智能的基石，擁有極為廣闊的應(yīng)用前景。

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片集成了受神經(jīng)生物學(xué)系統(tǒng)啟發(fā)的一系列功能，物理結(jié)構(gòu)類似于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)神經(jīng)形態(tài)芯片都包含許多與人工神經(jīng)元相對(duì)應(yīng)的小型計(jì)算單元，這些單元相互連結(jié)，形成非線性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的單元由新型高速非易失存儲(chǔ)器組成的陣列構(gòu)成，圖六為將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)映射為憶阻器陣列的示意圖。

目前，國(guó)內(nèi)憶阻器研究在材料體系、物理機(jī)制、性能優(yōu)化、規(guī)模集成、非線性電路和類腦神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等方面取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但在憶阻器可靠性、陣列的控制電路設(shè)計(jì)，以及CMOS集成工藝等方面還需要研究者和廣大工程技術(shù)人員協(xié)同攻關(guān)②，更需要針對(duì)憶阻器不同研究階段的專業(yè)的測(cè)試系統(tǒng)保駕護(hù)航。

憶阻器測(cè)試

1.憶阻器參數(shù)表征、分類及測(cè)試流程

憶阻器具有阻變存儲(chǔ)的功能，因此有類似存儲(chǔ)器“置0”和“置1”以及及讀操作，只不過(guò)“置0”被稱為“RESET”，即從低阻態(tài)（LRS）重置為高阻態(tài)（HRS），反之被稱為SET，即“置1”操作（圖七）。

由圖七可以看出，SET/RESET 電壓、電流，LRS/HRS 電阻等都是憶阻器的基本參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)測(cè)試并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，即可得到圖八表中的信息對(duì)憶阻器進(jìn)行表征。根據(jù)使憶阻器發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變所需的電壓極性，可以將憶阻器分為單極性和雙極性兩類。根據(jù)憶阻器的電阻轉(zhuǎn)變過(guò)程中是否存在明確的開關(guān)閾值電壓，還可以將憶阻器大致分為數(shù)字式與模擬式憶阻器。憶阻器可以是非易失性的，也可以是易失形的；可以是無(wú)源的，也可以是有源的②。

憶阻器基本參數(shù)測(cè)試以I-V或V-I曲線測(cè)試為主。1971年，蔡紹棠教授推導(dǎo)出兩類理想憶阻器公式：

式（1）中M為憶阻值，被稱為電荷控制型理想憶阻器，或電流控制型理想憶阻器。式（2）中W為憶導(dǎo)值，被稱為磁通控制型理想憶阻器，或電壓控制型理想憶阻器。電荷控制型與磁通控制型理想憶阻器在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的，如果對(duì)理想憶阻器施加任意周期性電壓（電流）信號(hào)，然后將激勵(lì)電壓（電流）和響應(yīng)電壓（電流）作圖，得到的李薩如曲線是一個(gè)斜“8”字形的緊捏型遲滯回線（Pinched hysteresis loop）（圖九），蔡紹棠教授與《憶阻器導(dǎo)論》編著者們商議后，將其簡(jiǎn)寫為“捏滯回線”，并以此作為憶阻現(xiàn)象的標(biāo)志性判據(jù)②。

近年來(lái)，研究人員在多種材料和器件中都發(fā)現(xiàn)了捏滯回線這一特征現(xiàn)象，并將這類器件都稱為憶阻器或具有憶阻特性的器件?；诖耍探B棠教授2011年撰文提出，不管何種阻變材料或者何種機(jī)制，只要二端器件能夠展現(xiàn)捏滯回線這一特征，就是憶阻器。之后又在2013年總結(jié)了憶阻器的三條簡(jiǎn)單判據(jù)②：

· 在雙極性周期電信號(hào)激勵(lì)下，器件在V-I平面的點(diǎn)特性為一個(gè)捏滯回線；

· 當(dāng)電信號(hào)掃描頻率增大時(shí)，捏滯回線波瓣面積持續(xù)減??；

· 當(dāng)掃描頻率趨近無(wú)窮大時(shí)，捏滯回線收縮為一條單值函數(shù)（圖十）。

為進(jìn)一步理清憶阻器的概念，完善憶阻器理論，2015年蔡紹棠教授再次撰文將憶阻器分類為理想型憶阻器、理想通用型憶阻器、通用型憶阻器和拓展型四類憶阻器，圖十一示意出這四類憶阻器之間的關(guān)系②。

在憶阻系統(tǒng)的概念逐漸被人們接受后，另外兩種記憶電路元件的概念，憶容（Memcapacitor）與憶感（Meminductor）也被相繼提出，其感念是否正確，是否能夠物理實(shí)現(xiàn)以及潛在的應(yīng)用價(jià)值得到研究人員的廣泛關(guān)注與探討②。

憶阻器材料體系和物理機(jī)制的研究是憶阻器基礎(chǔ)研究，捏滯回線的測(cè)試最為重要。在基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，需要對(duì)憶阻器進(jìn)行性能優(yōu)化，規(guī)模集成以及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、圖像識(shí)別等應(yīng)用層面的研究。不同的研究領(lǐng)域都需要特定的測(cè)試儀器，圖十二示意出憶阻器研究測(cè)試流程。

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