带你展望六大“未来式”存储器的技术趋势

　　MARM

　　MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器，以磁性方式存储数据，但使用电子来读取和写入数据。磁性特征提供非易失性，电子读写提供速度。MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取、写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

　　不过，当前的MRAM存储元件也有其明显的产品短板。很多嵌入式系统都必须在高温下运行，而高温往往会损害MRAM的数据保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到进一步的提升。

　　在神经形态计算领域，MRAM也有着独特的优势。MRAM存储元件包括两个铁磁层，由自由层和固定层组成，中间夹着非磁性氧化层。MRAM通过克服将磁化从一个方向切换到另一个方向所需的阻力来工作。通过在自由层中加入域壁可以实现多种阻力状态。这些器件中开关态的随机性可以用来模拟突触的随机行为。

　　对于STT-MRAM的商业产品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。从商业角度来看，Everspin似乎是走得最远的。本月，该公司已经开始向客户提供1Gb的STT-MRAM设备。上面讲到，格罗方德等公司对ReRAM技术较为冷淡，不过对MRAM却很上心，包括格罗方德、英特尔和三星等都已经宣布将MRAM列入自己未来的产品计划中。

　　铁电场效应晶体管(FeFET)

　　FeFET存储器使用的铁电材料，可以在两种极化状态之间快速切换。与论文里面提到的其他技术一样，它可以在低功耗下提供高性能，同时还具有非易失性的附加优势，FeFET有望成为新一代闪存器件。

　　FeFET主要原理是在现有的逻辑晶体管上采用基于氧化铪基的High-K(高K)栅电介质+Metal Gate(金属栅)电极叠层技术，然后将栅极绝缘体改性成具有铁电性质。FeFET并不是一个新鲜的事物，早在2008年，日本产业技术综合研究所与东京大学就联合宣布研发出FeFET的NAND闪存储存单元，号称大幅改良了NAND闪存的性能缺点。不过，到现在十年过去了，FeFET距离成为主流闪存产品仍然还有很长的路要走。

　　根据论文作者的说法，FeFET这种类型存储器的电压可以通过模拟突触权重的方式进行调整，突触权重是神经形态计算的重要元素。FeFET的一大优势是一些铁电化合物能够与传统的CMOS兼容，因此更容易集成到当下标准的计算平台中。当然，FeFET没有大规模商用也是因为其还存在明显缺点，主要是该技术还受到DRAM的一些限制，包括伸缩性、泄漏和可靠性等方面都有待提升。IEDM的一篇论文指出，SK 海力士、Lam及其它公司都对外表示，由于外部问题，铁电铪材料的实际开关速度比原本预期的要慢。

　　在商用层面，Fraunhofer、格罗方德和NaMLab从2009年就开始了FeFET的研发，SK 海力士、Lam等也有相关的研发计划。

　　突触晶体管

　　与论文中提到的其他技术不同，突触晶体管专门用于模拟神经元的行为。晶体管是三端子结构，包括栅极、源极和漏极。栅极使用电导将突触权重传递到通道，而源极和漏极用于读取该权重。电解质溶液用于调节通道的电导，实现神经形态功能的核心模拟行为。

　　中国国内的研究机构在突触晶体管的研发上有着不错的进展。2017年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M06采用二维材料α-MoO3单晶薄片作为沟道材料制备了一种三端阻变器件，利用离子液体作为栅极，施加电场在二维材料间隙层中注入氢离子，实现了α-MoO3沟道电阻在低能耗条件下的多态可逆变化。在此基础上，研究人员通过改变脉冲电场触发次数、宽度、频率和脉冲间隔，成功模拟了生物学中的神经突触权重增强和减弱过程、短时记忆至长时记忆的转变、激发频率依赖可塑性(SRDP)和STDP等行为。

　　论文作者指出，突触晶体管拥有“卓越的性能”，甚至可能比生物等效物更好。不过，这项技术仍处于早期研究阶段，目前的实现方式在耐久性、速度和电解质方面都受到限制。此外，突触晶体管从未被证明可以作为神经网络进行连贯地工作。

　　总的来说，论文中提到的这些技术都有潜力来“显著提高计算速度，同时降低功耗”。论文作者承认每种技术都有自己特定的优势和劣势。他们认为，至少在可预见的未来，任何人工神经形态系统的实现仍然必须依赖CMOS电路来作为外围组件。作者在论文中这样写道：“为了使神经形态系统能够自立，这些新设备技术必须突飞猛进。这些技术是仍然需要持续发展的领域，通过材料科学家、设备工程师、硬件设计师、计算机架构师和程序员之间的强有力合作将有助于促进跨学科对话，以解决神经形态计算领域面临的诸多挑战。”