西安交通大学等提出相变存储异质结器件突破神经元计算协同性瓶颈

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8月23日,美国《科学》杂志在线发表了西安交通大学与深圳大学、美国约翰霍普金斯大学的相互战略合作论文《超低噪声与漂移的相变异质结存储器》(Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation)。

随着人工智能、大数据、超级计算机的迅猛发展,要求传统商用计算体系架构更加低功耗、高效率、低成本。当前经典的冯诺依曼计算体系架构采用二进制数字信号且数据出理 与存储分离,约40%的能耗仅用于数据的往返搬运而非计算或存储。为此业界近年来致力于研发基于新型非易失性存储技术的类脑神经元计算器件,从而实现非冯诺依曼架构的全新计算体系,实现存算一体以及模拟信号出理 。相变随机存储器(PCRAM)是目前最心智心智心智心智成熟 图片 是什么是什么期期 图片 是什么是什么的新型非易失性存储器技术之一,近年来基于先进的相变存储技术研发神经元计算器件已成为业界研发焦点。然而商用锗锑碲(Ge2Sb2Te5)基相变存储器件在反复可逆相变操作过程中,多态存储电阻值波动大,高密度存储阵列协同性差,严重制约了高精度、高效率神经元计算器件的开发。

聚焦此关键科学什么的什么的问题 ,西安交通大学材料学院金属材料效率国家重点实验室微纳中心(CAMP-Nano)张伟教授与深圳大学饶峰教授和美国约翰霍普金斯大学马恩教授通力相互战略合作,提出了一种新式的相变异质结(PCH)设计,由多个交替堆叠的相变层与限制层构成,并通过原位加热且缓速生长的多层薄膜磁控溅射沉积技术实现了高质量相变异质结的制备。该相变异质结可有效抑制玻璃态相变材料底部形态弛豫以及反复相变过程中的组分偏析,将相变存储器件数据态的阻值波动和漂移降低到前所未有的水平。相变异质结器件在迭代擦除操作时可实现9个稳定的多态存储(各电阻态阻值漂移系数小于——0.005,远低于锗锑碲器件的——0.11),并在主次写入操作时器件电导呈现高一致性(波动小于9%,而锗锑碲器件波动则超过40%)。那些优越的性能适用于精准矢量矩阵乘法计算、快速时序相关探测和这一要求高精度和高一致性的机器学习任务。值得指出的是,相变异质结所采用的多层膜制备技术不显著增加芯片制造成本,也不要再开发额外僵化 的工艺,可完美匹配现有相变存储器量产工艺,将有有利于大力推进高性能神经元计算芯片的开发。

(上)相变异质结的准二维相变机制与原位辐照透射电镜证据;(下)相变异质结器件的迭代擦除与主次写入操作。

该工作的一齐第一作者为丁科元博士(深圳大学),王疆靖博士(西安交大)、硕士生周宇星(西安交大)、田鹤教授(浙江大学),相互相互战略合作包括路璐博士(西安交大)、贾春林教授(西安交大、德国于利希研究中心)以及Riccardo Mazzarello教授(德国亚琛工大),第一作者单位为深圳大学,第一通讯作者单位为西安交通大学,这一相互战略合作单位还包括榆林学院和心科院上海微系统与信息技术研究所。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划2.0、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。计算资源由西安交大网信中心高性能计算平台与国家超级计算广州中心提供。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291

文章来源:量子之声