忆阻器类脑芯片与人工智能来源：文章转载自期刊《微纳

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来源：文章转载自期刊《微纳电子与智能制造》，作者：陈子龙，程传同，董毅博，张欢，张恒杰，毛旭瑞，黄北举，谢谢。
摘要
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现阶段计算与存储分离的“冯·诺依曼”体系在功耗和速率方面已经不能满足人工智能、物联网等新技术的发展需求，存算一体化的类脑计算方案有望解决这一问题，迅速成为研究热点。忆阻器是一种新型微电子基础器件，其电阻可通过外场连续调节且具有非易失性、小尺寸、低能耗、高速和CMOS兼容等优良特性，被认为是快速实现存算一体化计算最具潜力的类突触器件。与此同时，光电子器件和神经元遵从动力学数学同构性，借助这种同构性可用光电子器件模拟神经元行为并实现类脑计算，基于光子器件的类脑芯片正在往更高集成度、更低功耗、更高性能方向发展，其将会在类脑计算领域发挥越来越重要的作用。介绍忆阻器材料和器件方面的研究进展，具体包括石墨烯材料低温生长，小尺寸钙钛矿忆阻器件、Parylene忆阻器件、WTiOx忆阻器件以及光子集成类突触器件及芯片等方面研究，并讨论忆阻器在类脑芯片和人工智能领域的应用前景。
引言
人脑中有约1011个神经元和约1015个突触连接，突触结构是神经元间发生信息传递的关键部位，是人脑认知行为的基本单元，因此研制类突触器件对于神经形态工程而言具有重要意义。近年来，类脑神经形态器件正在成为人工智能和神经形态领域的一个重要分支，将为今后人工智能的发展注入新的活力。人脑能够以超低功耗处理大量信息，这得益于人脑中神经突触的可塑性，若能利用纳米尺寸的人造器件来模拟生物突触，人造神经网络乃至人造大脑都将会实现。
信息大爆炸时代急速增加对存储能力的需求，开发小尺寸多值非易失存储器可广泛服务于军事和民用领域，符合国家重大需求。忆阻材料和器件是实现小尺寸多值非易失存储器的最佳方式，应当大力发展。降低能耗提高效率是信息处理芯片的最终发展方向，类脑芯片具有低功耗高效率的先天优势，会成为未来信息处理芯片的最终选择，具有巨大的市场前景。忆阻材料和器件是构建类脑芯片的基础，加大对其科技投入具有重要现实意义。
纳米尺寸忆阻器电阻可通过电场连续调节并保持，被认为是最有希望模拟生物突触的信息电子器件。高性能的忆阻器需要基于特殊设计的纳米忆阻材料，控制电子或者离子来改变忆阻材料的电阻。目前通过控制离子实现忆阻功能发展迅速，主要通过控制氧离子或者金属离子在忆阻材料基体中形成导电丝，实现电阻的连续调节。
开发CMOS兼容的忆阻材料，利用标准CMOS工艺加工忆阻器件是国际发展的大趋势，这是获得低成本类脑芯片的必经之路。目前以下几个研究内容需要重点关注：研制连续可调多值忆阻器，构建人工神经网络；研制量子忆阻器，构建多值非易失存储器，提高忆阻器的稳定性；量化不同忆阻材料体系不同缺陷形成能和迁移能，以及量化忆阻器件导电通道可控性和稳定性；开发基于碳水化合物材料忆阻器件，人工神经网络与生物神经网络充分融合。
国内外研究现状
1.忆阻器材料
忆阻器最常见的结构为金属/绝缘体/金属的堆垛结构，包括两层电极材料和一层功能忆阻材料。器件的阻变特性与功能层材料和电极材料密切相关。虽然在阻变存储器早期的发展阶段研究人员未将电阻转变现象与蔡少堂教授提出的忆阻器理论联系起来，但阻变存储器几十年的发展已经能够较好地反应忆阻器材料体系及其物理机制的全貌。总结几十年的发展，忆阻器材料可分为以下几种。
（1）二元金属氧化物
【忆阻器类脑芯片与人工智能】这种材料主要是过渡金属氧化物，还有一些镧系金属氧化物以及IV、V、VI主族金属氧化物[1] 。在诸多氧化物中， TiOx、HfOx、AlOx、TaOx和ZrOx等材料受到广泛关注。此外由于与传统CMOS工艺兼容， CuOx与WOx材料也有很多报道。目前最出色的忆阻器材料仍然是二元金属氧化物材料，并且最接近工业生产指标。
（2）钙钛矿类材料
自2000年在Pr0.7Ca0.3MnO3（PCMO）薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应（EPIR效应），越来越多的钙钛矿类电阻转变材料被研究，如 SrTiO3、Na0.5Bi0.5TiO3等。钙钛矿型氧化物具有非易失、高速和低功耗等良好性能。近来，卤化物钙钛矿材料在光伏领域的卓越表现使其成为“明星材料” ，基于卤化物钙钛矿材料的低功耗高性能忆阻器不断涌现。然而卤化物钙钛矿与传统CMOS工艺不兼容，导致该类材料在阻变存储领域较难推广。本课题组在对CsPbBr3钙钛矿器件研究的过程中突破了这一难点，利用工业级的保护材料聚对二甲苯（parylene）作为牺牲层，在涂有钙钛矿材料的样品表面生长这种材料并对其进行光刻，这样既可以在钙钛矿材料表面制作图形化的顶电极[2] 。