芯片前沿技术瞭望3：忆阻器芯片技术

2023年10月，媒体报道了清华大学集成电路学院教授吴华强、副教授高滨率领的团队基于存算一体计算范式，研制出全球首颗全系统集成的、支持高效片上机器学习的忆阻器存算一体芯片，该成果已在《科学》杂志上发表。图1是基于忆阻器的存算一体化的机器学习芯片及其测试系统板，左下角白框是芯片的外观，右侧长方形框中是芯片中电路模块的结构图，该芯片有两个忆阻器存储器模块，它们是1T1R忆阻器阵列和2T2R忆阻器阵列。

图1 基于忆阻器的存算一体化的机器学习芯片及其测试系统板

清华大学的这一成果意义非凡，首先它是一块实用化基于忆阻器的芯片，其次它是一块突破冯诺依曼计算机架构的存算一体化的计算机芯片，而且它还是一块可实现芯片上人工智能机器学习的芯片。这一成果让公众重新把视线聚焦到了忆阻器技术。

忆阻器（Memristor）是一种两端电子元件。它与电阻器、电容器和电感器一起称为四大电子元件。1971年美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠（Leon O. Chua）教授从逻辑和公理出发，指出应该还存在一个电路元件，它代表着磁通量与电荷的关系，如图2所示。这种电路元件就是后来被科技界广泛研究的忆阻器。蔡少棠教授在非线性电路理论基础研究、预言和研究忆阻器、发明蔡氏电路和细胞网络等方面贡献卓越，荣获了2005年IEEE基尔霍夫奖，该奖项是芯片领域的最高荣誉。

图2 四种物理量和四种电子元件的关系

忆阻器是一种非线性的具有电阻记忆特性电子元件。它的电阻值会随着通过它的电流量而改变，神奇的是当电流突然停止时，它会一直保持之前的电阻值；当它通过反向电流时，保持的电阻值会被推回。如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”， 忆阻器就可以实现存储数据的功能。它可以用来制作断电后仍能保持数据不变的非易失性存储器（NVM ），这是忆阻器的一个重要应用方向。

理论上，忆阻器的尺寸可以做得很小，可以方便地存储数据和处理数据，实现存算一体化，并且耗电很少、处理速度很快。忆阻器不仅仅是闪速存储器（Flash）的竞争者；它还能用于硬件实现人工神经网络突触（Synapse），应用在人工智能领域；它也可以用于构成混沌电路，应用在加密通信方面。这些应用是根据忆阻器的可以记忆电阻、可以记忆流经它的电荷数量、可以实现布尔逻辑运算等特性推理出来的。什么是真正的忆阻器？用什么材料、用什么结构、如何制造忆阻器？这些都是忆阻器技术研究想解决的问题。

科学研究从来没有坦途，在蔡少棠教授预言忆阻器存在的29年后，从2000年开始，科技人员在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化效应，并将其应用到了变阻式随机存取存储器（RRAM ）的研发中，并认为这是下一代非易失性存储器的希望。在产业界，英飞凌、三星电子、美光、夏普等公司都开始布局RRAM的技术研究和产品开发。

2008年4月，美国惠普实验室（HP Labs）公布了基于二氧化钛（TiO2）制作的RRAM器件，并首先将RRAM和忆阻器联系起来（不过有专家认为这些电路并不是真正的忆阻器），全球重新掀起了研究忆阻器的热潮。

2008年11月，加州大学、美国半导体行业协会、美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会，会上惠普实验室展示了世界上第一款三维立体（3D）忆阻器混合芯片，在这款芯片中一个忆阻器可以替代多个晶体管才能实现的功能。

2010年4月惠普实验室宣布他们拥有工作在1ns（~1GHz）开关时间和大小只有3nm x 3nm的实用忆阻器，这预示着忆阻器技术取得了重大突破，在这个集成密度下基于忆阻器的存储器可以与当前25nm以下的闪速存储器技术相媲美。

2010年5月，惠普实验室再次宣布忆阻器具有布尔逻辑运算的功能，这一发现震动了计算机学界。这预示着由忆阻器搭建的布尔逻辑运算架构将对由晶体管逻辑电路实现的布尔逻辑运算体系形成冲击，它也预示着忆阻器既可以实现数据存储，又可以实现运算，计算机学界期盼已久的存算一体化有望基于忆阻器技术而实现。

2012年，德国比勒菲尔德大学的安迪•托马斯博士及其同事制作了一种具有学习能力的忆阻器，次年托马斯利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件。他认为，因为忆阻器与人脑突触的相似性，使其成为制造人工大脑，打造新一代电脑的绝佳材料。托马斯的研究结果发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。

国内对忆阻器技术研究开始于2009年科技部启动的“忆阻器材料及其原型器件”国际合作项目。2023年10月，清华大学基于忆阻器存算一体芯片的研制成功，彰显了国内忆阻器技术研究的实力。

过去，人们对忆阻器研究分出了许多方向，例如二氧化钛忆阻器、聚合物忆阻器、分层忆阻器、原子电阻器、铁电忆阻器、碳纳米管忆阻器、生物分子忆阻器、自旋电子忆阻器等。在人工智能技术大发展的今天，忆阻器既可以实现存算一体化、又可以实现人工神经网络突触的潜能将会吸引更多科研团队加入到了忆阻器研究的行列。可以看出，忆阻器是后摩尔时代的芯片前沿技术之一，也是开发人工智能芯片的重要技术路线之一。

图3 人民邮电出版社的新书《芯片通识课》

后记，包括这篇在内的8篇芯片前沿技术瞭望系列文章是对我的新书《芯片通识课》的内容扩展，大家可以先阅读一下这本书，以便更好理解瞭望系列文章的内涵。《芯片通识课》的内容、特点和适读人群在之前我的文章“源于工作经验和芯论语，我的芯片知识科普书隆重出版”中介绍过，图3是这本书照片和订购二维码，欢迎阅读和指正。