易失性阈值转变忆阻器：AIoT时代的新兴推动者

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内容简介   

随着人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速发展与深度融合，AIoT已成为备受关注的新兴技术，悄然改变着人们的日常生活。然而，数据的爆炸式增长对AIoT系统的信息存储和处理能力提出了挑战。易失性阈值转变忆阻器作为一种新兴的纳米器件，具有结构简单、低功耗、易集成，以及与CMOS工艺兼容等优势，被广泛应用于选通管、人工神经元、真随机数产生（TRNG）等领域，有助于高密度存储和高能效计算的硬件实现，推动AIoT技术的发展。

图1. 面向AIoT系统中数据与信息的采集、存储、处理以及传输，易失性阈值转变器件的具体应用场景：痛觉感知器/人工感知神经元、选通管、脉冲人工神经元、TRNG等。

近日，华中科技大学李祎副教授、缪向水教授团队对近年来易失性阈值转变忆阻器的研究进展进行了系统性的概述与总结。主要包括：

（一）易失性忆阻器的分类与物理机制。依据器件阻变机理，可以将易失性忆阻器分为金属导电细丝型、OTS型和MIT型三类，并对三类器件的材料、结构、性能、机理进行了详细介绍。

图2. 三种易失性阈值转变器件：金属导电细丝型、OTS和MIT。

（二）面向AIoT系统中数据与信息的采集（传感）、存储、处理（计算）和传输安全，详细分析了易失性阈值转变忆阻器的应用场景，具体包括：

1) 选通管（Selector）。为了抑制交叉存储阵列的漏电流问题，往往引入选通管与存储单元集成设计。相比于非易失性器件，易失性忆阻器作为选通管时，不需要额外的复位操作，简化了外围电路的设计，有助于存储芯片的高密度集成；

2) 硬件安全（Hardware Security）。由于易失性忆阻器的本征随机特性，比如Vth的波动性，使其可以作为熵源，用于物联网安全验证的真随机数产生器（TRNG），以及物理硬件的唯一特征指纹——物理不可克隆函数（PUF）；

3) 人工神经元（Artificial Neurons）。易失性忆阻器与生物神经元有极大的相似性，可以极其忠实的模拟生物神经元的功能，比如全或无（all-or-nothing）、阈值激发、不应期等；

4) 人工感知器。易失性忆阻器可以与其他器件串联，用于人工感知器，比如痛觉感知器，可以对外部的刺激信号（光、声、电、压力等）进行收集与传递；

5) 其他方面的应用。易失性忆阻器还可以应用于超陡亚阈值摆幅晶体管（Steep Subthreshold Slope Transistor）、逻辑器件等。

最后，针对不同的应用场景，对易失性忆阻器的性能特点进行了总结，并提出可行的性能优化方向。同时，对其应用场景的发展进行了总结与展望。

图3. 三类易失性阈值转变器件的性能特点与比较。

该文章以题为“Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era”发表在Journal of Semiconductor上。

审核编辑 ：李倩