物理所基于憶耦器實現非易失性多態(tài)存儲

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曉木蟲

物理所基于憶耦器實現非易失性多態(tài)存儲

摘要: 　　隨著摩爾定律的失效，基于半導體集成電路的信息技術已逐步逼近物理極限，后摩爾時代的信息技術亟待全新的范式和原理�，F代計算機自問世以來一直采用馮·諾依曼結構，即運算器與存儲器分離，這種結構使得運算器與 ...

　　隨著摩爾定律的失效，基于半導體集成電路的信息技術已逐步逼近物理極限，后摩爾時代的信息技術亟待全新的范式和原理�，F代計算機自問世以來一直采用馮·諾依曼結構，即運算器與存儲器分離，這種結構使得運算器與存儲器之間的數據傳輸成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸（稱為馮·諾依曼瓶頸），大大限制了計算機性能的提高；同時，由于現代計算機中的運算器和主存儲器（如DRAM）都是易失性器件，不僅在斷電后信息立即消失，而且具有較高的能耗。因此，開發(fā)新型非易失性器件，采用非馮·諾依曼結構，實現運算器和存儲器合二為一（logic in memory），是未來發(fā)展高性能、低功耗、即開即用型計算機要解決的關鍵問題。當前，憶阻器（memristor）作為一種非易失性器件，由于同時具有信息存儲和邏輯運算功能，有望在未來替代半導體晶體管，受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。
　　近期，中國科學院物理學習所磁學國家重點實驗室學習員孫陽、副學習員尚大山和柴一晟等提出了另一種非易失性器件——憶耦器（memtranstor），并在單個憶耦器上分別實現了兩態(tài)存儲、多態(tài)存儲和布爾邏輯運算。憶耦器是一種基于非線性磁電耦合效應的記憶元件，源于第四種基本電路元件電耦器（transtor）。憶耦器的基本特征是其表現出非線性電荷-磁通回滯曲線。與憶阻器采用電阻（R = dv/di）的狀態(tài)存儲信息不同，憶耦器采用電耦（T = dq/dφ，或者等效于磁電耦合系數 α= dE/dH）的狀態(tài)來存儲信息。憶耦器的信息處理原理采用電寫磁讀，具有高速度、高密度、低功耗、并行讀取、結構簡單、易于制備等優(yōu)點。
　　孫陽學習組的學習生申見昕、叢君狀和申世鵬等分別基于多種磁電耦合介質制備了幾種憶耦器。他們首先在Ag/PMN-PT/Terfenol-D/Ag憶耦器中實現了室溫下兩態(tài)信息存儲，第一次演示了憶耦器作為新型非易失性存儲器的功能【以Letter形式發(fā)表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 (2016)】。在此基礎上，他們又在該憶耦器中實現了多態(tài)（4態(tài)和8態(tài)）存儲。常規(guī)存儲器每個存儲單元只能存儲2種狀態(tài)（0， 1），而多態(tài)存儲器在每個存儲位上可以存儲2n個狀態(tài)，因而具有更高的存儲密度。與電阻型多態(tài)存儲器相比，由于電耦值可以從正到負分布，因而憶耦器具有更高的存儲密度和容錯度。此后，他們采用簡單金屬Ni來替代復雜貴重合金Terfenol-D (Tb0.28Dy0.72Fe1.95)，制備了Ni/PMN-PT/Ni憶耦器，實現了非易失性兩態(tài)和多態(tài)存儲器。更為重要的是，他們基于單個Ni/PMN-PT/Ni憶耦器實現了非易失性通用邏輯門NOR和NAND。這一成果表明憶耦器與憶阻器類似，可以兼有信息存儲和布爾邏輯運算的功能，因而有望用于實現非馮·諾依曼結構的下一代計算機。此外，學習生魯佩佩等基于有機鐵電體制備出Cu/P(VDF-TrFE)/Metglas和Cu/P(VDF-TrFE)/Ni有機憶耦器，并成功實現了非易失性多態(tài)信息存儲。有機憶耦器有望在未來用于柔性可穿戴電子器件。
　　這些系列學習進展表明，憶耦器在開發(fā)下一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。與目前人們廣泛關注的憶阻器相比，憶耦器具有更低功耗和并行信息處理等優(yōu)點。以上學習成果分別發(fā)表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 (2016)；Phys. Rev. Applied 6， 064028 (2016)；Sci. Rep. 6， 34473 (2016)；Appl. Phys. Lett. 109， 252902 (2016)。在2016年11月于美國新奧爾良舉行的第61屆國際磁學與磁性材料大會（MMM）上，孫陽學習組關于憶耦器的工作被評為大會最佳張貼報告獎（Best Poster Award），是中國地區(qū)（包括臺灣、香港和澳門）唯一獲得該獎項的工作。
　　該學習獲得了國家自然科學基金、科技部和中科院項目的支持。
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