浙大研發(fā)低成本、低功耗的新型存儲(chǔ)器

近日，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院趙毅教授課題組研發(fā)出一種低成本、低功耗的新型存儲(chǔ)器。這項(xiàng)基于可工業(yè)化生產(chǎn)的半導(dǎo)體集成電路制造工藝的工作，將大幅提高數(shù)據(jù)交換速度，降低網(wǎng)絡(luò)芯片的制造成本，進(jìn)而從理論上為“萬(wàn)物互聯(lián)”打下基礎(chǔ)。同時(shí)，還可為數(shù)據(jù)“打上”標(biāo)簽，為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)增添更多想象。

這項(xiàng)研究第一作者為浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院碩士研究生張依，通訊作者為青年千人計(jì)劃入選者趙毅教授。

存儲(chǔ)器，顧名思義就是存儲(chǔ)信息的器件，內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器是其中特殊的一種。早期的芯片中當(dāng)輸入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址時(shí)，需要通過(guò)大量搜索找到對(duì)應(yīng)的接口，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。這一系列“小蝌蚪找媽媽”式的匹配過(guò)程中，效率是很低的;而內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器就像讓存儲(chǔ)在其中的大量被尋找的“青蛙媽媽”喊出名字，實(shí)現(xiàn)快速的搜索與配對(duì)。

如何讓尋找這一過(guò)程的效率更高、時(shí)間更短，這是科學(xué)家們聚焦的重要問(wèn)題。

研制“記憶二極管”

要讓尋找的時(shí)間短，首先要做到記得多、記得巧。

而常見(jiàn)的憶阻器就是一種典型的非易失性存儲(chǔ)，但問(wèn)題在于普通的憶阻器數(shù)據(jù)輸入輸出不分端口，因此使得電路容易形成紊亂和干擾。如何能夠讓電流路徑單向?研究人員從生物的神經(jīng)突觸單向傳導(dǎo)中來(lái)防止信息干擾的特點(diǎn)尋找到靈感;希望基于已普遍應(yīng)用的二極管這種有相類(lèi)似的單向傳遞特性的電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

那么如何將無(wú)法單向的憶阻器和能夠單項(xiàng)的二極管合二為一?課題組通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，找到鍺這一半導(dǎo)體材料。在之前的很多年里，趙毅課題組已對(duì)鍺在邏輯器件中的應(yīng)用有著深入的研究和探索。這次，他們利用鍺獨(dú)特的表面性質(zhì)，在鍺表面生長(zhǎng)憶阻器材料，形成一種新的器件，趙毅課題組稱(chēng)之為 “記憶二極管”。

趙毅說(shuō)：“我們課題組研發(fā)的這個(gè)新器件，將原來(lái)需要一個(gè)電路才能做到的工藝，用一個(gè)器件就能實(shí)現(xiàn)其功能。”這種新器件大量縮小了芯片面積，在手機(jī)等小型化電子設(shè)備中，這樣的縮小可以為其他功能的實(shí)現(xiàn)“騰出”大量空間。趙毅課題組只需兩個(gè)記憶二極管就可構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，使用面積縮小幾十分之一。

實(shí)現(xiàn)了多和小，如何實(shí)現(xiàn)快呢?

常見(jiàn)的ip地址由多個(gè)字段組成，傳統(tǒng)“兩態(tài)對(duì)比”從0、1兩個(gè)維度開(kāi)展一對(duì)一的搜索和比對(duì)。這種兩態(tài)對(duì)比，在小規(guī)模的數(shù)據(jù)中顯示不出劣勢(shì)，但當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到一定量級(jí)就顯示出“手工”一般的低效。

而三態(tài)比對(duì)就顯示出其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)0、1、X三個(gè)維度增強(qiáng)對(duì)比覆蓋率，“x相當(dāng)于是對(duì)相同字段的‘打包’，通過(guò)這種模糊處理可以縮短比對(duì)字段。”這三種狀態(tài)，則由記憶二極管的“開(kāi)”“關(guān)”兩種狀態(tài)來(lái)組合實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而加快數(shù)據(jù)流通，有助于實(shí)現(xiàn)整體上網(wǎng)速度的加快。趙毅介紹，這種加速或許對(duì)例如一個(gè)區(qū)域內(nèi)只有一兩臺(tái)手機(jī)上網(wǎng)的情況無(wú)法顯現(xiàn)得那么明顯，但當(dāng)人口稠密時(shí)，其優(yōu)勢(shì)就可以得到顯現(xiàn)。

在物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)“打標(biāo)簽”

目前芯片存儲(chǔ)技術(shù)主要有兩類(lèi)，第一類(lèi)是易失性存儲(chǔ)，例如計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，但是斷電后數(shù)據(jù)會(huì)立即消失;第二類(lèi)是非易失性存儲(chǔ)，例如U盤(pán)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)后無(wú)需額外的能量也可保存10年。

浙大研制出的記憶二極管陣列構(gòu)成的三態(tài)尋址存儲(chǔ)器，因?yàn)樵紤涀杵骶途哂蟹且资?，因此整個(gè)尋址存儲(chǔ)器在休眠狀態(tài)中對(duì)能量幾乎無(wú)消耗。而由于較為簡(jiǎn)單的構(gòu)造方式，其生產(chǎn)成本也較原先大大降低。

科學(xué)家應(yīng)用這兩大優(yōu)勢(shì)，對(duì)他們研制的新器件在未來(lái)的應(yīng)用展開(kāi)了設(shè)想。

如這項(xiàng)存儲(chǔ)器技術(shù)還可以提高計(jì)算機(jī)領(lǐng)域科學(xué)家對(duì)“大數(shù)據(jù)”的處理能力，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)“打標(biāo)簽”，這樣讓搜索變得更為便捷。“ 現(xiàn)有的ip地址實(shí)際上就是一種標(biāo)簽，可以選擇通過(guò)ip將某個(gè)數(shù)據(jù)傳遞到某處。”趙毅介紹，“如果僅僅是引用現(xiàn)在的技術(shù)，要給每個(gè)數(shù)據(jù)打標(biāo)簽還有成本的門(mén)檻要過(guò)，而研制出的記憶二極管陣列構(gòu)成的三態(tài)尋址存儲(chǔ)器就完全不用考慮成本。”

這項(xiàng)研究的論文被國(guó)際超大規(guī)模集成電路峰會(huì)(2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits)接收。這個(gè)會(huì)議是集成電路領(lǐng)域的頂級(jí)國(guó)際會(huì)議，在國(guó)際集成電路學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界均享有很高的學(xué)術(shù)地位和廣泛影響。這也是浙大學(xué)者首次在Symposia on VLSI Technology and Circuits上發(fā)表論文。

該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃與國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。