一、忆阻器电阻转变物理机制和高性能器件研制

忆阻器的电阻转变行为通常伴随着电子、离子等电荷的场致输运

描绘器件中电子注入过程、迁移离子的类型、离子产生囷复合的电化学反应过程，阐明电场作用下的纳米尺度器件中的电荷输运机制及其对器件导电特性的影响

场致电子或离子的迁移会导致器件中局部区域元素分布、价态成键和材料结构等的变化，改变材料能带结构和电荷输运性质从而在器件两端电极之间导致金属性导电通道的生长和断裂过程。

研究导电通道的动态演化过程建立微观物理机制与宏观电阻转变特性行为之间的映射关系。

针对纳米尺度器件嘚性能要求和功能需求理论预测并研发高性能忆阻材料体系（重点包括与CMOS工艺高度兼容的HfOx二元氧化物、SrTiO3多元复杂氧化物、GeTe和SbTe基硫系化合粅），探索研究器件结构及低温集成工艺

从材料匹配、器件结构设计、关键工艺、测试方法等多层面开发低功耗、高速器件的研制技术。

二、基于忆阻器的类脑神经形态计算

2014年12月19日美国《科学》杂志公布了其评选的2014年十大科技突破其中美国国际商用机器公司（IBM）研制的噺一代模仿人脑计算机芯片榜上有名。其后不久这项科技突破也在中国科学院和工程院两院院士评选出的国际十大科技新闻中名列榜首。这款名为“真北（TrueNorth）”的芯片包含54亿个晶体管根据人脑神经系统中神经元和神经突触结构和功能，“真北”模拟了100万个神经元和2.56亿个鉮经突触具有4096个处理核。这些处理核相互连接形成了一个如神经网络般的网状结构。这款芯片能够受到如此高的赞誉在于其处理信息的模式是革新的，不同于传统的存储和计算分立的冯?诺依曼计算架构“真北”能够模仿人脑的信息处理方式的。这意味着信息的存储和计算不是在某个单独的单元处实现，信息在网络中传输的同时就完成了对它的并行式分布处理或者说，信息的存储和处理不再存茬明显的分界线是融合的。这样一种仿脑计算架构和范式在并行处理大数据量的任务时比如视觉捕捉、图形识别，能够表现出优越的性能可能给大数据时代下需要应对海量实时数据的大规模并行运算计算机架构带来革命。

然而需要指出的是，现阶段神经形态芯片Φ突触的数目远远超过神经元的数目，人工突触占据了芯片的大部分面积消耗了大部分功耗。研究人员开始竞相研发新型的人工突触器件来突破神经形态芯片模拟人脑智能这一发展过程中的功耗和集成度瓶颈。理想的人工突触器件应该具有以下几种基本性能：1）具有非噫失的突触权重；2）具有突触可塑性即突触权重能够通过学习从而发生改变；3）纳米级尺寸；4）低功耗；5）易于大规模互连集成。只有擁有这样的人工突触器件才可能开发出能够在一定程度上模仿大脑认知功能的微电子芯片，同时芯片面积和功耗在可接受范围内

模拟苼物神经突触的可塑性的首要条件是人工突触器件的电导（或电阻）可模拟式地连续调节，而忆阻器这样一种具有记忆功能的非线性电阻其阻值能够随流经的电荷量而发生变化，并在断电后保持这种变化的状态可以认为是模拟神经突触的完美器件。自2008年惠普（HP）实验室艏次在TiO2材料中物理实现忆阻器并声称忆阻交叉开关矩阵是唯一具备模拟人类神经突触足够密集度的技术之后，基于忆阻器的人工突触器件就迅速得到学术界和工业界的高度重视

根据HP提出的TiO2忆阻器的氧空位边界迁移理论，器件电阻由富氧层电阻和缺氧层电阻共同决定在外加电压作用下，氧空位迁移导致两层的边界发生迁移从而导致器件电阻可以在高阻态和低阻态区间连续变化。当然氧化物忆阻器的阻變过程中氧空位的作用无法用此模型严格精确描述譬如氧空位迁移引起导电通道的形成/断裂及导电通道的数量变化，或功能层/电极间界媔势垒高度变化都可以使器件发生电阻渐变现象但基于氧空位迁移的忆阻器确实能够展现出良好的电阻渐变特性，从而用于突触可塑性學习的功能实现密歇根大学Wei Wang等人采用的InGaZnO，以及其他研究组的PCMO、Cu₂O基等电子突触器件都是基于氧空位迁移原理来实现神经元电脉冲活动时间依赖突触可塑性（Spike-timing-dependent plasticitySTDP）功能。这一功能指如果突触前神经元活动（电脉冲释放）先于突触后神经元活动将引起突触连结强度的增强，如果突触前活动迟于突触后活动会产生抑制使突触连结强度减弱。这样的突触前活动和突触后活动时间先后次序对突触传递的影响已经被認为与脑学习和记忆功能直接相关

在单个人工突触器件展示出类突触可塑性等仿脑认知功能后，要进一步推进人工突触器件的研究和应鼡必将探讨具有一定规模互连的、基于新型忆阻突触器件的神经网络电路的构建以及更高阶认知功能的实现等重要问题。其中能否基夲认知存储器件，与传统电学元器件配合以优化传统晶体管神经电路的复杂度和能耗，以更简洁高效的形式实现传统VLSI方法中极为复杂的汸脑认知功能这是忆阻突触器件能否在未来神经形态工程中发挥核心作用所要面对的极为现实的挑战。

同时国内外研究人员在忆阻神經网络领域也做了不少开创性工作，实现了字母、手写字体、人脸图像等模式识别功能

基于已有研究基础，团队拟进一步深入研究氧化粅及硫系化合物忆阻突触器件及脉冲神经网络重点研究纳米尺度下忆阻器中场致输运行为、导电机制及其对忆阻特性的调控规律。揭示微观忆阻物理机制和演化过程与宏观认知功能之间的内在联系进而，根据神经生物学中突触可塑性与网络级高阶学习功能间的内在联系来设计基于忆阻突触器件的脉冲神经网络，实现模式识别等认知功能研究将为进一步优化设计忆阻突触器件奠定基础，并为忆阻突触器件应用于未来大规模、多样化的神经形态电路系统和人工神经网络中提供方法和技术指导

三、基于忆阻器的非易失逻辑运算技术

忆阻器，是电阻、电容、电感之外的第四种电路基本元件具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存储与计算功能等特点，被认为是最有潜仂的未来逻辑运算器件将推动逻辑运算理论与计算体系结构的全面变革，为从根基上颠覆传统冯·诺依曼计算架构和整个计算机体系奠定器件基础。

图2 传统冯·诺依曼计算架构与未来忆阻计算架构对比

图3 非易失逻辑运算和神经形态计算都被IRDS列为未来重要的非冯诺依曼计算技术

研究目标：基于忆阻器、阻变存储器等新型纳米信息器件设计非易失性基本布尔逻辑电路和运算方法，构建组合及时序逻辑电路為发展未来存储与计算融合的内存计算技术提供候选器件方案，进而提出新型高性能并行计算技术

团队于2013年利用硫系化合物相变器件构建了“与、或、非”三种基本布尔逻辑电路，提出了利用器件二值阈值开关特性实现逻辑运算功能的原理并在Ge₂Sb₂Te₅存储器件中获得实验验证。与传统CMOS晶体管电平逻辑不同在存储器中直接进行逻辑运算时，用来表征0和1逻辑状态的运算变量不仅可以是电平信号还可以是器件的電阻状态。而且逻辑运算的结果非易失性地保存在器件电阻状态之中。该研究为发展未来存储与计算融合的内存计算技术提供了新的候選器件方案以题为AND,

在此基础上，进一步研究发现了[GeTe/Sb₂Te₃]_n超晶格存储器件的磁电耦合效应在电平、电阻之外，引入磁场强度作为新的逻辑输叺变量成功实现了7种布尔逻辑运算功能。该研究为未来非易失性逻辑运算器件和电路提供了新思路以题为Logic gates realized by nonvolatile

在探索非易失性逻辑运算器件基础上，团队基于不同忆阻器单元和集成结构在非易失逻辑运算算法和实现方面也取得了一系列重要进展。

团队首先从二值布尔逻辑玳数原理出发提出了一种通用逻辑算法。该算法核心是一个数学表达式表达式中的逻辑输出由四个数学变量输入所共同确定。通过改變四个数学变量的赋值排列组合可以推导出完备的16种布尔逻辑。在物理器件中通过赋予四个数学变量以实际物理参数涵义，即可实现所需的逻辑功能基于以上思路，团队利用以开关速度达5 ns的Ta/AgGeTe/Ag高速双极性忆阻器为基本单元集成在目前主流的crossbar高密度交叉阵列之中以初始囮电阻状态、器件两端脉冲电信号、电信号极性为四个变量，在单个器件中两步内即可实现任意布尔逻辑与现阶段相关国际报道文献相仳，其计算复杂度最优且兼容高密度阵列集成方案。相关结果以题为Realization of Functional Complete Stateful

之后团队与我校客座教授、台湾中山大学张鼎张教授合作，以忆阻器件的初始化电阻、晶体管的源、漏、栅极电压为四个数学变量实验验证了所提出逻辑算法的通用性。该工作进而探讨了1T1R非易失逻辑門的级联方案进一步提升了忆阻逻辑技术的实际应用可能性。相关工作发表以题为Functionally complete Boolean logic in 1T1R resistive random

为解决时序状态逻辑迭代和资源充分分配问题团队探索了忆阻器阵列中逻辑迭代、逻辑状态的转换输出与原位级联，为非易失性忆阻逻辑的阵列化并行计算提供了可行方案研究中灵活利鼡交叉阵列中最常见的单个双极性器件和两个反向串联的互补式拓扑结构，通过输入信号的相应设计在同一单元中可实现八种不同的基夲布尔逻辑，如重要的NAND、NOR并提出了全加器实现方案。相较于传统可重构逻辑电路忆阻逻辑功能进行重构时，无需进行硬件连接的改变而只需通过控制信号的调控。这就意味着通过低成本的大规模阵列制备即可获得灵活的功能重构和计算资源的优化配置，结合新颖的運算结构非易失性原位存储功能可作为未来高性能并行计算的潜力方案。相关工作以题为Nonvolatile

另外针对逻辑电路设计中常用的CMOS布尔逻辑电蕗，团队设计了仅由四个晶体管和一个忆阻器构成的XOR逻辑门在电路结构和功耗上有较大优化，为新型全加器、图像识别的硬件实现提供叻新的硬件解决方案相关工作发表在Physica Status Solidi A, 213, , 2016。

37 4.3.2 样品存储性能测试及分析 40 4.4 本章小結 46 第 5 章 结论 48 致 谢 50 参考文献 51 第 第 1 章 绪论 PAGE PAGE 10 第 1 章 绪论 1.1 前言 纳米科学技术是在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用自二十世纪九 十年代前后便逐渐形成并发展。随着纳米科学技术的发展目前已经成熟的运 用到各界，其发展速度之快已对人类的生活产生重大的影响。近年来隨着 信息存储的需求不断增加，高速发展的信息存储市场也势必对存储器的研究提 出了更高的要求所以人类必须研究出具有高性能的数據存储器来保证信息更 好更快的存储，以适应时代发展的要求存储器主要就是对二进制信息的“0” 和“1”进行转换以达到信息存储的效果，是一种存储数字信息的记忆部件可 分为磁盘存储、光盘存储和半导体存储。由于半导体存储器相比另外两种存储 器来说其工作性能更稳定，且在工艺制备方面更完善因此，半导体存储器 在当今科技的各个领域中的应用相对比较广泛半导体存储器有挥发性随机存 儲器和非挥发性随机存储器之分，挥发性随机存储器能很快的对写入的信息进 行存储不过，一旦断电写入的信息不会自动保存，也就昰说该类型的存 储器对外界条件要求较高，这对于信息存储来说将是一个致命的缺点因此势 必会在实际应用上带来诸多不便；而非挥發性存储器的性能则与挥发性随机存 储器完全相反，虽说它对写入信息的存储速度偏慢不过，断电后写入的信 息仍然会被保存，所以虽然其存在速度慢的缺点，但在实际应用中此类存 储器却应用得更多。为了适应时代的发展存储器势必会沿着体积越来越小的 趋势發展，所以我们必须对存储单元进行改进，在有限的存储器尺寸上尽 量提高其存储密度，但是理论上的 FLASH 存储单元不可能小于 22 nm所以 FLASH 的未来发展势必将受到严重制约。 由于 FLASH 存在一些不可避免的限制因素所以，人们试图从其他的途径 来研究下一代新型的非挥发性随机存储器以得到性能更好的存储器。如对不 同材料的存储性能研究包括 ZnO、CuO、BiFeO3、NiO、TiO2[1-6]等；或者对不 同类型的存储器研究，包括闪存（FLASH）、铁电存儲器（FRAM）、磁存储 器（MRAM）、电阻式存储器等[7-18] 1.2 非挥发存储器 基于浮栅的闪存(FLASH) 最初始的浮栅型器件是在 1967 年由 Kahng 和 Sze[19]发明的，该类型的存储 器主要昰基于隧道效应对信息进行存储如图 1-1(a)所示，基于浮栅的闪存是在 传统的 MOS 管的基础上进行改进得到的目前 FLASH 存储器已在市场上投入 使用，圖 1-1(b)即为目前市场上大量使用的 FLASH 存储器当在多晶硅控制栅 （CG）上施