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AI芯天下丨忆阻器或会成为存储墙的破局者

2019-07-18 11:49
Ai芯天下
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芯片的进一步小型化遇到越来越多的技术局限,集成电路技术的天花板隐隐出现,伴随着未来器件小型化、集成度高的趋势,使得计算和存储两者之间开始融合,忆阻器的价值也随之增加。

电子工业的元件革命

忆阻器能够适用的产业非常广泛,但其最基础的应用就是非易失性阻抗存储器(即RRAM),相比较目前主流的动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash Memory)相比,忆阻器的能耗更低,且断电后仍能保存数据。具体来看,就是无论用户关机还是全局断电,只要用户下一次打开计算机还能回到之前的状态。

有科学家在尝试利用忆阻器构造仿生类大脑功能的硬件,以实现硬件的“学习”和“关联记忆”的功能,也有科学家在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运算需求的可能性。

再结合忆阻器的记忆能力,代表着运算电路和记忆电路将可同时共存,而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑,很多人寄希望于其应用于更智能的机器人的研发。

专家认为,最迟到2020年,见证半导体工业长达半个世纪进化的摩尔定律将迎来物理极限大考,如果说石墨烯是一场电子工业的材料革命,那么忆阻器则是一场电子工业的元件革命。

AI芯天下丨忆阻器或会成为存储墙的破局者

需求巨大市场显著增长

由于忆阻器所具有的优势,如尺寸小、无需功耗存储数据、读写速度快、长寿命、3D设计能力,以及适用于便携式电子设备、工业机器人、超级电脑、服务器和数据中心。

忆阻器市场预计将在2018-2023年间以复合年增长率(CAGR)64.5%的速率实现快速增长。

该领域的主要企业,如惠普和联想(两者在2017年超级计算机市场的份额分别是28.66%和17%)都在研发该技术。随和对该领域创新的不断聚焦,忆阻器将以一个非常稳健的速度被市场所采纳。

而且,随着在多个产业中不断上涨的自动化需求,对于忆阻器的需求预期也将呈现上升趋势。

物联网应用需求和对人工智能部署需求的上涨也将在近期提供大量机会。但是,与这些器件相关的高成本,以及在制造中的复杂性将挑战市场的增长。

忆阻器作为闪存的可靠和高能效的替代物而出现,因此可在多个产业中找到用武之地。多个行业中对于自动过程需求的增加将支持对工业机器人的需求。这些机器人需要能够提供零启动时间、长寿命、更小尺寸的闪存。

忆阻器是一个新兴技术,能够学习和存储等,提供类似大脑的计算。这些器件的非线性使得其对于更复杂类脑控制的机器人具有吸引力,这些器件能以极低功耗工作,使得基于忆阻器的电路比传统晶体管电路要具备更高能效。因此,由于对于工业机器人不断增加的需求,忆阻器市场将在未来5年提供显著的增长。

AI芯天下丨忆阻器或会成为存储墙的破局者

忆阻器的应用及分布

忆阻器的存储与计算融合的模式,避免了传统架构中每步都需要将计算结果通过总线传输到内存或外存之中进行存储,从而有效地减小数据频繁存取和传输的负荷,降低信息处理的功耗,提高信息处理的效率。

其对现代电子学具有潜在的巨大影响,可以应用于云存储、物联网、消费电子、航空航天、地球资源信息、科学计算、医学影像与生命科学等等电子信息重要领域。

由于北美地区有最先进的产业、持续开展的研发活动,以及高度信息化的消费者基础,因此与其他地区相比,北美将占据最大市场份额,在是忆阻器应用中占据最大,包括柔性电子、物联网和产业机器人。

2016年,美国机器人的安装达到14%的增长率,达到新纪录的31400个。而且在该领域的主要企业,如SanDisk、惠普等,都位于美国,均是有助于美国获得超越世界其他区域竞争力的重要因素。

忆阻器领域的企业主要有:日本东芝(Toshiba)、富士通、夏普(Sharp),韩国三星(Samsung)、SK海力士,美国德州仪器(TI)、IBM、英特尔、AMD、Adesto、Cypress、惠普,中国台湾地区的华邦电子(Winbond Electronics)。

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忆阻器的细分领域

●存储器:非易失的记忆能力是忆阻器的特性,因此忆阻器在存储器中的作用最为显著,忆阻器是基本的存储单元,体积和功耗都比较小,是传统单元所不能达到的。

●模拟电路:传统的电子器件中如二极管、晶体管、热敏电阻等都不具备忆阻器的特性,这些电子器件结合忆阻器构成了新型的混合电路,随之也出现了模拟电路的某些新功能及新特性,使电路功能更加先进,实现更多的电路功能。

●人工智能计算机:忆阻器还可以进行逻辑运算,这一功能可以把数据处理模块与存储电路模块结合在一起,从而改变传统的计算机体系架构,带来计算机体系架构的重组,为计算机体系的发展带来了新的动力。

●模拟神经网络:在模拟神经网络中,突触功能一般可由软件和硬件来完成,软件和硬件相比较软件完成的速度较慢、整体效率较低,很少被采用。硬件一般通过模拟电路、模数混合电路和数字电路来完成。

●计算芯片:忆阻器在神经形态计算芯片领域显示出更加重要的潜力。而神经形态计算就是通过模仿人脑的构造来大幅提高计算能力与能效的新型计算方法。

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即便是巨头这条路也不好走

忆阻器最初由惠普企业业务实验室于8年前公布,负责充当持久性存储方案。它能够带来更长的存储周期,结构更简单,制造更便捷--意味着成本更低,而且能够以更低功耗带来更快的数据交换速度。

遗憾的是,其制造看起来并不便捷,而且直到今天也没能拿出正式产品。NVMe SSD的出现极大提升了闪存的数据访问速度,降低了内存与存储之间的性能差距,而英特尔/美光的3D XPoint SSD也将于今年年底推出并成为彻底弥补这一鸿沟的首套产品化技术方案。

●WDC的SanDisk业务部门则致力于将ReRAM技术纳入其存储级内存硬件。惠普企业业务公司与SanDisk之间的合作关系意味着,前者能够直接应用后者的研发成果。

●SanDisk公司代工合作伙伴东芝亦对ReRAM抱有深厚兴趣。

●WDC的HGST业务部门则在努力研究相变存储器技术。

●IBM公司已经展示了其三层单元相变存储器技术成果。

●三星方面目前尚无公开的存储级内存项目,不过其已经参与到STT-RAM的研发当中。

●SK-海力士作为惠普企业业务公司忆阻器芯片制造技术的合作方,一直没能拿出成本合理且足够可靠的芯片产品。

目前唯一有可能采用忆阻器技术的大规模芯片制造商似乎只剩下三星公司了。总结而言,除非三星或者其它大规模代工厂商愿意对忆阻器加以高度关注,同时为其提供必要的生产、代工产能以及潜在OEM合作渠道,否则忆阻器的消亡将只是时间问题。

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我国忆阻器发展任重道远

就在忆阻器的机理尚未完全探明时,国外商业竞争已进入白热化阶段了。目前除了惠普,IBM、英特尔等科技巨头以及英、德、韩等国家也开始涉足了忆阻器的研发。

而在我国,忆阻器的主要研究单位是华中科技大学。2009年,科技部启动国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件,华中科技大学微电子学系教授、长江学者缪向水担任项目负责人。目前华中科技大学已经能够制备出纳米级性能稳定的忆阻器原型器件。

不过放眼全国,国内的忆阻器研究仍处于自由探索阶段,不仅力量分散,而且主要集中于理论层面和计算机仿真。受研究条件所限,真正物理实现尚不多见。不过如果再不加以重视,惠普一家公司就足以打败国内市场。

结尾:

忆阻器绝不只是一个理论模型,而是实实在在的产物。忆阻器带来的变革,将在世界电子科技领域引发一场基础性的影响重大的竞赛。

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