基于电场的高速存算一体器件

在传统冯诺依曼架构的计算机中,由于存储单元与逻辑运算单元的物理分离,存储器与运算器之间的数据传输成为影响系统性能的瓶颈。因此,开发将存储与逻辑运算集于同一器件单元的新型电子器件是未来发展高性能计算机亟待解决的核心问题。近些年已经有大量的工作致力于研究存算一体架构的器件,比如将逻辑运算嵌入阻变存储器、相变存储器、磁阻式存储器和铁电存储器中。然而,这些构架仍然需要用大电流驱动,器件的发热和高功耗无法避免。

为了解决这个问题,复旦大学沈健课题组利用强关联电子材料-锰氧化物的金属绝缘体转变特性,制备了利用纯电场操作,集存储与逻辑于一体的非冯诺依曼架构器件(图a)。该器件的最大优势在于:存储和逻辑运算均利用电场实现,电流密度仅为,比之前的存算一体架构器件小四个数量级,大大降低了能耗,有望从根本上解决集成器件中的发热难题。

他们利用三对侧栅电极的局域电场对锰氧化物纳米线的电阻值进行调控,实现了8个不同的电阻态,即3比特存储(23)(图b);并且通过控制不同侧栅电极实现了“非”、“与非”和“或非”等布尔逻辑操作(图c),从而在同一器件中实现了存储和逻辑运算。此外,该器件的响应时间在8ns左右(图d),具有很好的高速存算应用前景。

此架构很容易进一步扩展,有望实现更高比特的存储;并通过脉冲电压累积效应等方式,进一步实现加减、因式分解等复杂的逻辑运算,从而为实现存算一体的非冯诺依曼架构提供切实可行的路径。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201900020)上。