Small Science:忆阻器交叉开关矩阵最新研究——延时选择器

忆阻器(Memristor)是一类可以在外部电压的作用下改变电阻值,并通过该电阻值记录信息的新型非易失性存储器件。相较于传统的闪存(Flash memory)等器件,忆阻器有着速度更快,信息存储时间更长,存储密度更高,功耗更低,可擦写次数更多,模拟特性更好等优势。忆阻器可以通过交叉开关矩阵(Crossbar)的形式实现大规模集成。将多条平行字线与多条平行位线正交,每个交叉点上集成一个忆阻器,即可构成交叉开关矩阵。忆阻器交叉开关矩阵与生物神经网络在结构上具有天然的相似性,研究人员以此为核心构建的人工神经网络,已经在矩阵运算,图像处理等领域展现出传统计算机架构(冯诺依曼架构)所不具备的卓越性能。

在理想情况下,在目标字线和位线上输入电压即可对它们交叉处的忆阻器进行读写。然而在实际情况中,即使不对非选中的字线和位线输入电压,由它们定义的忆阻器因为可以与目标忆阻器构成并联电路,仍然可以有电流产生,从而干扰目标忆阻器的读写。该旁路电流也被称作潜通路电流(Sneak path current),是交叉开关矩阵应用中最大的挑战。

人们提出了多种方案以消除潜通路电流。一种方案是调整忆阻器的工艺使之具有较高的电压-电流非线性,从而达到获得电压较大的目标器件的电流远大于获得电压较小的潜通路器件的电流的目的。然而交叉开关矩阵的一大核心优势,即高速矩阵运算极大依赖于高度线性的电压-电流关系,意味着该方案在解决问题的同时带来了可能更大的问题。另一种方案是引入 “选择器” (Selector)。其中最常见的选择器是场效应晶体管(MOSFET)。通过控制栅极电压,只有特定的场效应晶体管被开启(允许通过足量电流),即可有效阻断潜通路电流。然而在纳米尺度上,场效应晶体管的继续缩小对集成电路工艺的要求极高,并且受限于量子效应。它所依赖的平面工艺导致构建3D架构困难重重。此外,引入场效应晶体管必将导致仅依靠字线和位线不足以实现矩阵的读写操作。这也就意味着芯片面积,设计复杂度和功耗都将显著增加。

为了走出上述困境,南加州大学杨建华教授团队提出了“延时选择器”(Timing selector)的概念,通过在目标通路和潜通路之间制造一个延时的差异来达到仅选通目标线路的目的。具体来讲,延时选择器应采用双端器件,并与忆阻器串联在字线与位线的交叉处。它需要具备两个基本特性:第一,在没有外加电压的情况下器件保持关断状态(高电阻状态),而在输入一定大小的电压时,器件会开启(进入低电阻状态);第二,器件的开启有一定的延时,该延时随电压增大而减小。条件一确保了只有在输入信号作用下开启的延时选择器可以制造导电通路而其他未能开启的延时选择器将阻断他所在的电路(潜通路);条件二提供了通过控制电压制造延时差异的条件。因为潜通路由多于目标线路的器件构成,在给目标器件输入电压时,潜通路上的每个器件分得的电压将小于目标器件,延时则大于目标器件。只要输入电压的时长小于前者而大于后者,即可达成仅选通目标器件的目的。

他们使用基于掺银二氧化硅的器件证明了上述方案的可行性。延时选择器不仅规避了场效应晶体管的缺陷,有效阻断阵列中的潜通路电流,准确读写矩阵中的忆阻器,也被验证其工作方式与人工神经网络所需的矩阵运算可以很好兼容。值得注意的是,延时选择器并不局限于特定材料,期待其他研究人员探索更多性能优越的器件以更好的实现延时选择的功能。

论文信息:

Timing Selector: Using Transient Switching Dynamics to Solve the Sneak Path Issue of Crossbar Arrays

Mingyi Rao, Wenhao Song, Fatemeh Kiani, Shiva Asapu, Ye Zhuo, Rivu Midya, Navnidhi Upadhyay, Qing Wu, Mark Barnell, Peng Lin, Can Li, Zhongrui Wang*, Qiangfei Xia, J. Joshua Yang*

Small Science

DOI:10.1002/smsc.202100072

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100072