浙大研制新型存储器：面积仅几十分之一

shuszhao · 发表于 2018-6-1 08:51:47

这项基于可工业化生产的半导体集成电路制造工艺的工作，将大幅提高数据交换速度，降低网络芯片的制造成本，进而从理论上为“万物互联”打下基础。同时，还可为数据“打上”标签，为未来物联网社会增添更多想象。
近日，浙江大学信息与电子工程学院赵毅教授课题组研发出一种低成本、低功耗的新型存储器。这项基于可工业化生产的半导体集成电路制造工艺的工作，将大幅提高数据交换速度，降低网络芯片的制造成本，进而从理论上为“万物互联”打下基础。同时，还可为数据“打上”标签，为未来物联网社会增添更多想象。
存储器，顾名思义就是存储信息的器件，内容寻址存储器是其中特殊的一种。早期的芯片中当输入一个网络地址时，需要通过大量搜索找到对应的接口，方可进行数据访问。这一系列“小蝌蚪找妈妈”式的匹配过程中，效率是很低的；而内容寻址存储器就像让存储在其中的大量被寻找的“青蛙妈妈”喊出名字，实现快速的搜索与配对。
如何让寻找这一过程的效率更高、时间更短，这是科学家们聚焦的重要问题。

研制“记忆二极管”

要让寻找的时间短，首先要做到记得多、记得巧。
而常见的忆阻器就是一种典型的非易失性存储，但问题在于普通的忆阻器数据输入输出不分端口，因此使得电路容易形成紊乱和干扰。如何能够让电流路径单向？研究人员从生物的神经突触单向传导中来防止信息干扰的特点寻找到灵感；希望基于已普遍应用的二极管这种有相类似的单向传递特性的电子器件来实现相应功能。
那么如何将无法单向的忆阻器和能够单项的二极管合二为一？课题组通过大量实验，找到锗这一半导体材料。在之前的很多年里，赵毅课题组已对锗在逻辑器件中的应用有着深入的研究和探索。这次，他们利用锗独特的表面性质，在锗表面生长忆阻器材料，形成一种新的器件，赵毅课题组称之为 “记忆二极管”。
赵毅说：“我们课题组研发的这个新器件，将原来需要一个电路才能做到的工艺，用一个器件就能实现其功能。”这种新器件大量缩小了芯片面积，在手机等小型化电子设备中，这样的缩小可以为其他功能的实现“腾出”大量空间。赵毅课题组只需两个记忆二极管就可构成一个存储单元，使用面积缩小几十分之一。

TCAM（三态内容寻址存储器）的工作原理示意图：查找数据并行输入存储器内部后与存储数据进行同时匹配，并输出匹配结果。其中，相比与传统的由10个晶体管构成的基于SRAM的核心单元，本研究中的核心单元只由两个简单的记忆二极管构成。

实现了多和小，如何实现快呢？

常见的ip地址由多个字段组成，传统“两态对比”从0、1两个维度开展一对一的搜索和比对。这种两态对比，在小规模的数据中显示不出劣势，但当数据达到一定量级就显示出“手工”一般的低效。
而三态比对就显示出其优势，通过0、1、X三个维度增强对比覆盖率，“x相当于是对相同字段的‘打包’，通过这种模糊处理可以缩短比对字段。”这三种状态，则由记忆二极管的“开”“关”两种状态来组合实现，进而加快数据流通，有助于实现整体上网速度的加快。赵毅介绍，这种加速或许对例如一个区域内只有一两台手机上网的情况无法显现得那么明显，但当人口稠密时，其优势就可以得到显现。

在物联网社会“打标签”

目前芯片存储技术主要有两类，第一类是易失性存储，例如计算机的内存，但是断电后数据会立即消失；第二类是非易失性存储，例如U盘，写入数据后无需额外的能量也可保存10年。
浙大研制出的记忆二极管阵列构成的三态寻址存储器，因为原始忆阻器就具有非易失性，因此整个寻址存储器在休眠状态中对能量几乎无消耗。而由于较为简单的构造方式，其生产成本也较原先大大降低。
科学家应用这两大优势，对他们研制的新器件在未来的应用展开了设想。
如这项存储器技术还可以提高计算机领域科学家对“大数据”的处理能力，通过对数据“打标签”，这样让搜索变得更为便捷。“ 现有的ip地址实际上就是一种标签，可以选择通过ip将某个数据传递到某处。”赵毅介绍，“如果仅仅是引用现在的技术，要给每个数据打标签还有成本的门槛要过，而研制出的记忆二极管阵列构成的三态寻址存储器就完全不用考虑成本。”
这项研究的论文被国际超大规模集成电路峰会（2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits）接收。这个会议是集成电路领域的顶级国际会议，在国际集成电路学术界以及工业界均享有很高的学术地位和广泛影响。这也是浙大学者首次在Symposia on VLSI Technology and Circuits上发表论文。
该研究受到国家重点研发计划与国家自然科学基金的支持。
这项研究第一作者为浙江大学信息与电子工程学院硕士研究生张依，通讯作者为青年千人计划入选者赵毅教授。