FeFET存储器使用的铁电材料,可以在两种极化状态之间快速切换。与论文里面提到的其他技术一样,它可以在低功耗下提供高性能,同时还具有非易失性的附加优势,FeFET有望成为新一代闪存器件。
FeFET主要原理是在现有的逻辑晶体管上采用基于氧化铪基的High-K(高K)栅电介质+metal Gate(金属栅)电极叠层技术,然后将栅极绝缘体改性成具有铁电性质。FeFET并不是一个新鲜的事物,早在2008年,日本产业技术综合研究所与东京大学就联合宣布研发出FeFET的NAND闪存储存单元,号称大幅改良了NAND闪存的性能缺点。不过,到现在十年过去了,FeFET距离成为主流闪存产品仍然还有很长的路要走。
根据论文作者的说法,FeFET这种类型存储器的电压可以通过模拟突触权重的方式进行调整,突触权重是神经形态计算的重要元素。FeFET的一大优势是一些铁电化合物能够与传统的CMOS兼容,因此更容易集成到当下标准的计算平台中。当然,FeFET没有大规模商用也是因为其还存在明显缺点,主要是该技术还受到DRAM的一些限制,包括伸缩性、泄漏和可靠性等方面都有待提升。IEDM的一篇论文指出,SK 海力士、Lam及其它公司都对外表示,由于外部问题,铁电铪材料的实际开关速度比原本预期的要慢。
在商用层面,Fraunhofer、格罗方德和NaMLab从2009年就开始了FeFET的研发,SK 海力士、Lam等也有相关的研发计划。
突触晶体管
与论文中提到的其他技术不同,突触晶体管专门用于模拟神经元的行为。晶体管是三端子结构,包括栅极、源极和漏极。栅极使用电导将突触权重传递到通道,而源极和漏极用于读取该权重。电解质溶液用于调节通道的电导,实现神经形态功能的核心模拟行为。
中国国内的研究机构在突触晶体管的研发上有着不错的进展。2017年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M06采用二维材料α-MoO3单晶薄片作为沟道材料制备了一种三端阻变器件,利用离子液体作为栅极,施加电场在二维材料间隙层中注入氢离子,实现了α-MoO3沟道电阻在低能耗条件下的多态可逆变化。在此基础上,研究人员通过改变脉冲电场触发次数、宽度、频率和脉冲间隔,成功模拟了生物学中的神经突触权重增强和减弱过程、短时记忆至长时记忆的转变、激发频率依赖可塑性(SRDP)和STDP等行为。
论文作者指出,突触晶体管拥有“卓越的性能”,甚至可能比生物等效物更好。不过,这项技术仍处于早期研究阶段,目前的实现方式在耐久性、速度和电解质方面都受到限制。此外,突触晶体管从未被证明可以作为神经网络进行连贯地工作。
总的来说,论文中提到的这些技术都有潜力来“显著提高计算速度,同时降低功耗”。论文作者承认每种技术都有自己特定的优势和劣势。他们认为,至少在可预见的未来,任何人工神经形态系统的实现仍然必须依赖CMOS电路来作为外围组件。作者在论文中这样写道:“为了使神经形态系统能够自立,这些新设备技术必须突飞猛进。” “这些技术是仍然需要持续发展的领域,通过材料科学家、设备工程师、硬件设计师、计算机架构师和程序员之间的强有力合作将有助于促进跨学科对话,以解决神经形态计算领域面临的诸多挑战。”