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存儲(chǔ)技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的核心，從基本的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到更復(fù)雜的任務(wù)，例如用于人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用的 " 內(nèi)存計(jì)算 "（In-memory computing），都依賴于它們的支持。這些技術(shù)最初只是用于數(shù)據(jù)保留，但如今正逐步演進(jìn)以適應(yīng)新的計(jì)算范式，比如 " 內(nèi)存計(jì)算 "，即在存儲(chǔ)陣列中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種演進(jìn)大幅提升了計(jì)算效率，因?yàn)樗鼫p少了處理器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而提高速度并降低能耗——這對(duì)于 AI 和 ML 等高負(fù)載任務(wù)尤為關(guān)鍵。正是這些苛刻的性能需求，正在推動(dòng)技術(shù)革新突破傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）范式的限制。

新興非易失性存儲(chǔ)（eNVMs）代表了一類極具前景的技術(shù)，可用于替代或增強(qiáng)傳統(tǒng)的易失性存儲(chǔ)器（如隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器 RAM）。與斷電即失去數(shù)據(jù)的 RAM 不同，eNVMs 能夠在斷電或系統(tǒng)關(guān)閉的情況下依然保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。本文綜述了多種新興存儲(chǔ)材料和器件架構(gòu)，包括電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ReRAM）、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM）和相變存儲(chǔ)器（PCM）。此外，還探討了基于二維材料和有機(jī)材料的新型 eNVMs，并討論了從傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算向類突觸計(jì)算的轉(zhuǎn)變，以及這種轉(zhuǎn)變?nèi)绾螢榻鉀Q人工智能在加速科研發(fā)現(xiàn)中面臨的技術(shù)瓶頸帶來新機(jī)遇。本文系統(tǒng)分析了當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展、發(fā)展軌跡以及仍需攻克的主要挑戰(zhàn)。

非易失性存儲(chǔ)器在后 CMOS 時(shí)代的角色

在后 CMOS 微電子時(shí)代，一個(gè)廣泛被關(guān)注的挑戰(zhàn)是如何突破馮 · 諾依曼計(jì)算架構(gòu)的限制（見圖 1）。當(dāng)前急需一種能兼具多種優(yōu)點(diǎn)的新型存儲(chǔ)器，包括兼容現(xiàn)有 CMOS 工藝流程，并能突破靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）和閃存的規(guī)模瓶頸。具備這些特征的存儲(chǔ)技術(shù)，將可適用于模擬與數(shù)字處理中的獨(dú)立存儲(chǔ)或嵌入式存儲(chǔ)。根據(jù) 2022 年《國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）》報(bào)告，這類技術(shù)有望引發(fā)計(jì)算架構(gòu)的一場(chǎng)革命。

非易失性存儲(chǔ)器的研究可追溯到 20 世紀(jì) 60 年代的電荷存儲(chǔ)設(shè)備，其研究持續(xù)了幾十年，直到 2010 年嵌入式半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)縮小到 28 納米節(jié)點(diǎn)，但隨后由于電荷泄漏問題，進(jìn)一步的微縮發(fā)展遇阻。非易失性存儲(chǔ)器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是其數(shù)據(jù)保持能力（非易失性程度），通常以可保持?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度來衡量。當(dāng)前，閃存由于技術(shù)成熟度高、優(yōu)化完善并擁有廣泛的商業(yè)應(yīng)用，被視為非易失性存儲(chǔ)的基準(zhǔn)技術(shù)

圖 1

( a ) 非易失性存儲(chǔ)發(fā)展歷程的可視化表示； ( b ) 技術(shù)發(fā)展的時(shí)間線； ( c ) 按成熟度劃分的新興存儲(chǔ)器設(shè)備分類； ( d ) 到 2035 年的電路架構(gòu)預(yù)測(cè)，其特點(diǎn)是集成多種為滿足芯片功能需求而選擇的新興存儲(chǔ)技術(shù)。

典型的存儲(chǔ)技術(shù)如今已發(fā)展至具有商業(yè)可用性，并在文獻(xiàn)中建立了完整的科學(xué)、技術(shù)和系統(tǒng)知識(shí)體系。由于電荷型存儲(chǔ)器難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)層厚，目前技術(shù)關(guān)注點(diǎn)已轉(zhuǎn)向 NAND 閃存的三維堆疊結(jié)構(gòu)及各類 " 新興 " 存儲(chǔ)器。圖 1c 展示了六大類主要新興存儲(chǔ)技術(shù)，按成熟度從高到低依次為：新型磁性存儲(chǔ)（MRAM）、鐵電存儲(chǔ)（FeRAM）、基于氧化物的電阻式存儲(chǔ)（ReRAM），這些技術(shù)已展現(xiàn)出良好的特性，具備進(jìn)入商用驗(yàn)證階段的條件。而以下技術(shù)尚處于早期發(fā)展階段，但仍具有較大的技術(shù)突破潛力：相變存儲(chǔ)器（PCM 或 PRAM）、導(dǎo)電橋式存儲(chǔ)器（CBRAM）、二維材料存儲(chǔ)器（2D RAM）、有機(jī)和分子存儲(chǔ)器。其中某些分子級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)，如莫特存儲(chǔ)器和 DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，目前仍處于初步探索階段。

由于具備非易失性、字節(jié)尋址、高密度、高可擴(kuò)展性和接近零待機(jī)功耗等獨(dú)特特性，基于存儲(chǔ)的計(jì)算和處理將在未來計(jì)算系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。隨著類突觸存儲(chǔ)器的快速發(fā)展，未來將其與新興存儲(chǔ)器結(jié)合，有望徹底改變計(jì)算架構(gòu)，提升系統(tǒng)性能、能效及處理能力，適用于從存儲(chǔ)系統(tǒng)到邊緣與云環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)乃至區(qū)塊鏈去中心化應(yīng)用的各個(gè)層面。

存儲(chǔ)技術(shù)的多樣性及其優(yōu)勢(shì)

新興存儲(chǔ)技術(shù)的多樣性（如鐵電存儲(chǔ)器 FeRAM、氧化還原電阻式存儲(chǔ)器 ReRAM、磁性存儲(chǔ)器 MRAM、相變存儲(chǔ)器 PCM，以及有機(jī)與分子存儲(chǔ)器 OMRAM）為特定應(yīng)用需求提供了多樣化的選擇，允許設(shè)計(jì)者根據(jù)所需的規(guī)格與運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行靈活配置。每種技術(shù)都具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如耐久性高、能效優(yōu)良，以及適配特定環(huán)境或任務(wù)的能力。

針對(duì)高溫環(huán)境下的非易失性存儲(chǔ)器的研究，回應(yīng)了在極端條件下對(duì)可靠運(yùn)行的需求。這類研究彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)市場(chǎng)中的重要空白，并拓展了存儲(chǔ)器在惡劣環(huán)境下的潛在應(yīng)用。例如，通過材料選擇的創(chuàng)新與制造精度的提升，使得存儲(chǔ)設(shè)備即使在高溫、高輻射等極端條件下仍可穩(wěn)定工作，這對(duì)航空航天與地?zé)峥碧降刃袠I(yè)至關(guān)重要。

在快速發(fā)展的存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，二維材料（2D materials）因其獨(dú)特的物理特性和良好的可擴(kuò)展性，正成為一條極具前景的新路徑。這些材料由于具有原子級(jí)的可設(shè)計(jì)性，并且能與現(xiàn)有技術(shù)兼容，有望徹底革新存儲(chǔ)設(shè)備。二維材料的特性如原子級(jí)厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性，使得它們能實(shí)現(xiàn)更快速、更節(jié)能的存儲(chǔ)器，并與當(dāng)前電子技術(shù)無縫集成，提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。隨著材料合成和轉(zhuǎn)移工藝的不斷進(jìn)步，二維材料的規(guī)?；瘧?yīng)用正逐漸成為現(xiàn)實(shí)，預(yù)示著新一代存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展將迎來一個(gè)全新階段，足以滿足未來計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。

與傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)不同，ReRAM 與類突觸存儲(chǔ)器（Synaptic RAM）支持 " 內(nèi)存計(jì)算 "（In-Memory Computing），具備非易失性，能夠?qū)崿F(xiàn)低延遲、低能耗的數(shù)據(jù)處理。它們能夠在存儲(chǔ)陣列內(nèi)部直接執(zhí)行類比乘加操作，省去了傳統(tǒng)馮 · 諾依曼架構(gòu)中能耗巨大的 " 存儲(chǔ) - 處理器 " 數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。這使得它們非常適合邊緣計(jì)算系統(tǒng)，尤其是在實(shí)時(shí)推理、低功耗和緊湊型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵要求下的應(yīng)用場(chǎng)景。

這些存儲(chǔ)技術(shù)特別適用于類腦計(jì)算和自適應(yīng)系統(tǒng)。類突觸 RAM 受生物突觸的啟發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)如 " 脈沖時(shí)序依賴可塑性（STDP）" 等學(xué)習(xí)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)基于硬件的學(xué)習(xí)與在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的實(shí)時(shí)響應(yīng)。這一能力對(duì)于自主學(xué)習(xí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（IoT）至關(guān)重要，使其無需持續(xù)連接云端即可感知并適應(yīng)新環(huán)境。此外，xRAM（如 ReRAM、FeRAM、MRAM）或 PCM 的非易失特性，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在斷電后仍能保持操作狀態(tài)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，并在受限供電或間歇供電環(huán)境中實(shí)現(xiàn)即時(shí)喚醒功能。

隨著對(duì)智能、去中心化系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)，xRAM 和 Synaptic RAM 正成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、低功耗和高魯棒性計(jì)算平臺(tái)的重要技術(shù)路徑。它們具有高密度、支持 3D 集成、可與 CMOS 電路單片集成等優(yōu)勢(shì)，在 AI 和 IoT 硬件架構(gòu)演進(jìn)中扮演著核心角色。這些技術(shù)為 " 分布式智能 " 愿景提供支撐，使計(jì)算系統(tǒng)能夠在智能傳感器、邊緣分析等廣泛場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)無縫、自治和具備上下文感知能力的運(yùn)行。

柔性基底上的非易失性存儲(chǔ)器：

前沿技術(shù)綜述

將非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)集成到柔性基底上，近年來獲得了廣泛關(guān)注，主要受可穿戴電子設(shè)備、軟體機(jī)器人以及分布式物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)等新興應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)。這類系統(tǒng)不僅要求存儲(chǔ)器具備斷電數(shù)據(jù)保留能力，還需能承受彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械形變。在眾多 NVM 技術(shù)中，ReRAM 和 FeRAM 在柔性平臺(tái)上的表現(xiàn)最為先進(jìn)。

ReRAM 由于其金屬 - 絕緣體 - 金屬的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和對(duì)低溫工藝的良好兼容性，在聚合物基底（如 PET 和聚酰亞胺）上展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性與數(shù)據(jù)保持能力。FeRAM（尤其是基于 P ( VDF-TrFE ) 或摻雜 HfO 的器件）則具有低電壓開關(guān)和穩(wěn)定的極化狀態(tài)，在經(jīng)歷數(shù)千次機(jī)械循環(huán)后仍保持可靠性。盡管更具挑戰(zhàn)性，基于有機(jī)材料或二維磁性材料的柔性 PCM 和 MRAM 也已進(jìn)入初步研究與演示階段。

有機(jī)和分子存儲(chǔ)技術(shù)也正迅速發(fā)展，在 AI 邊緣計(jì)算和類生物設(shè)備中展現(xiàn)出巨大潛力。有機(jī)材料具備可調(diào)的分子結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，能在某些神經(jīng)形態(tài)計(jì)算算法中替代傳統(tǒng)憶阻器。這些材料及器件的易揮發(fā)性和動(dòng)態(tài)電學(xué)特性，使其能夠模擬生物神經(jīng)元和突觸的響應(yīng)功能，包括脈沖時(shí)序依賴可塑性（STDP）、脈沖頻率依賴可塑性、以及短期與長(zhǎng)期可塑性等。

近年來，隨著材料和制造技術(shù)的進(jìn)步（如噴墨打印、轉(zhuǎn)印技術(shù)和室溫沉積工藝），人們已經(jīng)能夠在塑料基底上直接制造非易失性存儲(chǔ)器，而不會(huì)破壞其機(jī)械完整性?；诙S材料和納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的混合材料系統(tǒng)進(jìn)一步提升了設(shè)備在受應(yīng)力條件下的性能表現(xiàn)。盡管取得了這些進(jìn)展，仍存在挑戰(zhàn)，例如：如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期機(jī)械可靠性、在彎曲狀態(tài)下保持?jǐn)?shù)據(jù)、以及如何將柔性 NVM 與邏輯和傳感元件集成，構(gòu)建完整的柔性系統(tǒng)。未來的研究將聚焦于單片集成、整個(gè)存儲(chǔ)陣列的增材制造，以及開發(fā)穩(wěn)健的封裝方法，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著上述障礙被逐步克服，柔性非易失性存儲(chǔ)器（NVM）將成為可適應(yīng)、貼合環(huán)境的電子設(shè)備的核心。這些柔性神經(jīng)形態(tài)集成電路可以與有機(jī)和分子存儲(chǔ)技術(shù)輕松結(jié)合。在這類應(yīng)用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可在中央高性能 AI 芯片上訓(xùn)練完成，之后模型被部署到柔性神經(jīng)形態(tài)集成電路上，靠近生化傳感器，用于本地化處理。這種模式特別適合可穿戴或植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，將 AI 計(jì)算能力拓展到分布式計(jì)算與傳感系統(tǒng)中。

制約新興存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵知識(shí)空白包括： ( a ) 消除材料雜質(zhì)與不均勻性，這些因素會(huì)導(dǎo)致寫入耐久性差、壽命短； ( b ) 弄清楚非線性動(dòng)態(tài)行為和模擬噪聲對(duì)存儲(chǔ)器在計(jì)算與處理中的影響； ( c ) 縮短存儲(chǔ)器重編程所需時(shí)間，并降低寫入過程的能耗。

新興存儲(chǔ)器的制造與使用

新興存儲(chǔ)材料的制造往往需要在超高真空環(huán)境中進(jìn)行沉積工藝。精密的制造設(shè)施能夠確保存儲(chǔ)器件具有極高的制備精度，并避免污染物引入。使用一體化的沉積與材料表征工具，可以在不同制造階段實(shí)現(xiàn)無縫銜接，確保材料在整個(gè)流程中的純凈性和功能完整性。這些高端工具的使用不僅提升了存儲(chǔ)器性能，還大幅延長(zhǎng)了器件的工作壽命和運(yùn)行可靠性。

理解用于存儲(chǔ)器件中的材料的基本屬性是至關(guān)重要的。在開發(fā)早期所犯的錯(cuò)誤可能會(huì)在后續(xù)階段引發(fā)嚴(yán)重的性能問題。將新興存儲(chǔ)技術(shù)用于存儲(chǔ)應(yīng)用時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)快速且低能耗的開關(guān)，以在消耗最小能量的同時(shí)高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入和讀取。相比之下，存儲(chǔ)器件在編程之后必須保持穩(wěn)定，以確?？煽康膬?nèi)存計(jì)算。一旦被編程，器件在計(jì)算過程中將被多次讀取，因此在這些讀取過程中展示出良好的重復(fù)性和耐久性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的處理至關(guān)重要。表征技術(shù)的改進(jìn)，例如原位測(cè)量和跨器件區(qū)域的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析，有助于更深入地理解材料的行為和性能。這將帶來更加一致和可靠的存儲(chǔ)器件，這對(duì)于其在高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)中的應(yīng)用至關(guān)重要。

用于新興存儲(chǔ)器件的多通道測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了更加高效和精確的測(cè)試過程。這些測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于設(shè)計(jì)和開發(fā)能夠滿足 AI 模型計(jì)算需求的節(jié)能硬件是必不可少的，能夠顯著降低這些技術(shù)的能耗。每一項(xiàng)進(jìn)展都在應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域中的特定挑戰(zhàn)，為可能重新定義存儲(chǔ)器件在各種技術(shù)平臺(tái)中集成和使用方式的未來創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。隨著這些技術(shù)的演進(jìn)，它們不斷推動(dòng)計(jì)算能力的邊界，預(yù)示著一個(gè)速度更快、效率更高、可靠性更強(qiáng)的新時(shí)代的到來。存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展不僅揭示了潛在的創(chuàng)新和技術(shù)突破，也凸顯了當(dāng)前亟需解決的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可以歸為五個(gè)類別：（a）材料合成、制造精度與表征；（b）器件可擴(kuò)展性、壽命與可重復(fù)性；（c）材料與器件的多模態(tài)表征；（d）器件互連性及與現(xiàn)有和新型 CMOS 技術(shù)的兼容性；以及（e）封裝與異構(gòu)集成。

在材料合成方面，選擇既能承受極端條件（例如高溫和高密度）又能滿足 AI 和 ML 應(yīng)用計(jì)算需求的材料是具有挑戰(zhàn)性的。此外，材料必須精確定義其組成成分，以確保其穩(wěn)定性和功能性。開發(fā) AI/ML 方法來選擇新的復(fù)合材料可以加速合成過程。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量材料需要制造過程中的精度控制，這對(duì)于避免可能降低存儲(chǔ)性能的缺陷至關(guān)重要。這包括在薄膜沉積過程中維持超高真空狀態(tài)，以防止污染。高質(zhì)量的材料能夠?yàn)槠骷峁┓€(wěn)定性、可重復(fù)性和可擴(kuò)展性。

由于在原子尺度下具有獨(dú)特的電學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)特性，二維（2D）材料對(duì)新興非易失性存儲(chǔ)（eNVM）技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。其原子級(jí)薄度使其能突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體的縮放極限，實(shí)現(xiàn)超高密度和低功耗的存儲(chǔ)集成。諸如石墨烯、過渡金屬二硫族化物（例如 MoS 、WS ）以及六方氮化硼等材料提供了高載流子遷移率、可調(diào)節(jié)帶隙以及可通過缺陷工程實(shí)現(xiàn)的開關(guān)特性，非常適用于新興非易失性存儲(chǔ)（eNVM）器件中的電阻開關(guān)、鐵電行為和電荷俘獲機(jī)制。此外，其機(jī)械柔性和化學(xué)穩(wěn)定性使其適用于柔性和可穿戴電子產(chǎn)品，在這些領(lǐng)域傳統(tǒng)材料表現(xiàn)不佳。這些特性使得下一代存儲(chǔ)器件的實(shí)現(xiàn)成為可能，這些器件具備快速切換速度、優(yōu)異的耐久性和保持能力，而這些都是實(shí)現(xiàn)內(nèi)存計(jì)算和 AI 應(yīng)用所必需的。盡管這項(xiàng)技術(shù)在存儲(chǔ)器件中具有巨大潛力，但二維材料也帶來一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。穩(wěn)定生產(chǎn)大面積、高質(zhì)量的單晶二維材料是一項(xiàng)必須克服的重要技術(shù)障礙，以實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用。這些材料容易受到包括氧氣和濕氣在內(nèi)的環(huán)境因素影響，這可能破壞其性能。開發(fā)有效的封裝和保護(hù)策略對(duì)于實(shí)際使用這些材料至關(guān)重要。將二維材料與現(xiàn)有制造工藝（尤其是 CMOS 技術(shù)）集成，還需要在低溫生長(zhǎng)技術(shù)和無損轉(zhuǎn)移方法方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

為了滿足商業(yè)可行性和制造精度所需的高標(biāo)準(zhǔn)，必須采用先進(jìn)的表征技術(shù)。在不同器件區(qū)域?qū)崿F(xiàn)表征結(jié)果的可重復(fù)性至關(guān)重要，但由于材料行為和缺陷的變異性，這一目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。實(shí)時(shí)原位測(cè)量對(duì)于理解器件運(yùn)行過程中內(nèi)部的動(dòng)態(tài)交互是至關(guān)重要的，但這在技術(shù)上也帶來了重大挑戰(zhàn)，尤其是在改造如透射電子顯微鏡（TEM）這類工具以實(shí)現(xiàn)帶電偏置的實(shí)時(shí)操作方面。開發(fā)能在極端溫度下運(yùn)行的存儲(chǔ)技術(shù)也面臨重要挑戰(zhàn)：即如何創(chuàng)造出能夠在反復(fù)的溫度應(yīng)力下保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的材料。此外，要將這些存儲(chǔ)技術(shù)與其他高溫環(huán)境下可用的元件（如碳化硅 SiC 晶體管）集成，也帶來了巨大的工程挑戰(zhàn)，以確保整體的可靠性和性能。為了 AI 或類腦應(yīng)用開發(fā)節(jié)能硬件，也需要測(cè)試系統(tǒng)能夠處理新興存儲(chǔ)技術(shù)（如憶阻器）所要求的高并行度，這是一項(xiàng)復(fù)雜且具有技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù)。將具備內(nèi)存計(jì)算能力的存儲(chǔ)器件集成到 AI 硬件平臺(tái)中，還必須克服系統(tǒng)架構(gòu)和器件互操作性方面的重大障礙。

此外，開發(fā)能夠支持如 GPT-3 等 AI 應(yīng)用所需的密度和可擴(kuò)展性的互連技術(shù)仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。先進(jìn)的鍵合技術(shù)對(duì)于在不損害性能的前提下，將高密度憶阻器陣列與其他系統(tǒng)組件集成至關(guān)重要。這些技術(shù)在開發(fā)面向人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的下一代計(jì)算系統(tǒng)中扮演著變革性的角色。

未來計(jì)算系統(tǒng)中的 " 數(shù)字轉(zhuǎn)類突觸 " 過渡

現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建在以速度、精度和邏輯確定性為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)字架構(gòu)基礎(chǔ)之上。雖然這些系統(tǒng)在傳統(tǒng)任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，但在應(yīng)對(duì)人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的需求時(shí)正面臨日益嚴(yán)重的壓力。傳統(tǒng)的馮 · 諾依曼架構(gòu)存在 " 內(nèi)存墻 " 問題，即內(nèi)存與處理器之間數(shù)據(jù)傳輸所需的能耗與延遲成為影響系統(tǒng)整體性能的主導(dǎo)因素。這一 " 內(nèi)存墻 " 問題引發(fā)了人們對(duì)類腦計(jì)算范式日益增長(zhǎng)的興趣，尤其是那些能夠利用突觸行為實(shí)現(xiàn)本地化與高能效計(jì)算的架構(gòu)。

從數(shù)字到類突觸的轉(zhuǎn)變是指從離散的、基于邏輯的數(shù)字運(yùn)算逐步轉(zhuǎn)向模擬或事件驅(qū)動(dòng)的類突觸行為，這些行為模仿生物計(jì)算的方式。在當(dāng)前的混合系統(tǒng)中，模擬和數(shù)字輸入被轉(zhuǎn)換為類突觸信號(hào)，如電流脈沖或電壓波形，這些信號(hào)直接控制憶阻或類腦器件（如 Intel）中的存儲(chǔ)狀態(tài)或神經(jīng)元激活。這些轉(zhuǎn)變已經(jīng)在邊緣 AI 設(shè)備、類腦協(xié)處理器和實(shí)驗(yàn)性的交叉陣列中顯現(xiàn)出來，這些系統(tǒng)將存儲(chǔ)和處理結(jié)合在單一的物理層中。這類架構(gòu)通過生物啟發(fā)機(jī)制（包括脈沖時(shí)序依賴可塑性 STDP）實(shí)現(xiàn)內(nèi)存計(jì)算和實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)。然而，從模擬到數(shù)字、從數(shù)字到模擬脈沖的轉(zhuǎn)換對(duì)系統(tǒng)提出了額外的能量需求，從而降低了系統(tǒng)的熵。

在信息以模擬形式接收的系統(tǒng)中，模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖將促進(jìn)完全類突觸系統(tǒng)的發(fā)展，在這些系統(tǒng)中，處理和計(jì)算由稀疏、異步和局部交互主導(dǎo)，類似于人腦中的交互方式。未來的 AI 系統(tǒng)將越來越多地采用端到端的模擬計(jì)算，消除在許多任務(wù)中對(duì)集中式數(shù)字邏輯的需求。脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）和事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)有望成為主流，并與新型傳感器（如動(dòng)態(tài)視覺傳感器 DVS）集成，形成對(duì)真實(shí)世界刺激進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)和適應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)將在能效、響應(yīng)速度和適應(yīng)性方面提供顯著提升，這對(duì)于自主智能體、智能傳感器和可穿戴設(shè)備至關(guān)重要。

在信息以數(shù)字形式傳輸?shù)南到y(tǒng)中，從數(shù)字到類突觸的轉(zhuǎn)變標(biāo)志著計(jì)算觀念和實(shí)現(xiàn)方式的根本變化。數(shù)字邏輯不再作為核心計(jì)算引擎，而是作為管理和協(xié)調(diào)類突觸過程的接口。隨著材料、器件和算法方面的進(jìn)步融合，類突觸計(jì)算將促成新一代智能、分布式和自適應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使 AI、ML 和 IoT 的能力超越現(xiàn)有的局限。

總結(jié)

總而言之，本文所展示的技術(shù)機(jī)遇、材料以及集成挑戰(zhàn)反映出在不同領(lǐng)域推進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)所面臨的復(fù)雜性。每個(gè)領(lǐng)域都需要有針對(duì)性的研究與開發(fā)工作，以克服特定的技術(shù)、環(huán)境和操作難題。解決這些挑戰(zhàn)對(duì)于推動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，而存儲(chǔ)技術(shù)是未來計(jì)算、人工智能以及先進(jìn)傳感和成像應(yīng)用的關(guān)鍵。為迅速增長(zhǎng)的研究社區(qū)提供合適的儀器設(shè)備，將加速技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新，并對(duì)新材料、器件、產(chǎn)品和市場(chǎng)方案的開發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這將影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的全局，并確立美國(guó)在新興技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

上世紀(jì) 70 年代、80 年代和 90 年代，美國(guó)的微電子設(shè)施曾出現(xiàn)一輪繁榮，主要集中在主要行業(yè)研究中心及少數(shù)幾所大學(xué)院校周圍。在過去的 25 年中，國(guó)際市場(chǎng)的開放和微電子行業(yè)的全球化推動(dòng)了全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)所需的制造與設(shè)計(jì)工具的發(fā)展，提供了面向全球的商業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)解決方案。這種能力和產(chǎn)品的擴(kuò)張也凸顯出降低能源消耗、限制數(shù)據(jù)指數(shù)增長(zhǎng)的迫切需求，同時(shí)也要應(yīng)對(duì)對(duì)新技術(shù)方案日益增長(zhǎng)的需求。我要么擴(kuò)展 CMOS 以外的能力，要么創(chuàng)造新的技術(shù)創(chuàng)新。這將需要新的材料、器件和存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)。這還要求開發(fā)專門用于制造和計(jì)量新興材料的工具，并使這些工具對(duì)更廣泛的研究社區(qū)開放。我們需要推動(dòng)研究工具、數(shù)據(jù)和知識(shí)的民主化，賦能研究群體，加速該領(lǐng)域的創(chuàng)新。

我們只有通過建立一個(gè)涵蓋專業(yè)知識(shí)、技術(shù)創(chuàng)新和人才發(fā)展的國(guó)家級(jí)資源，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而支持所有相關(guān)社區(qū)的研究、培訓(xùn)和教育工作。

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