二维范德瓦尔斯材料作助力高性能忆阻器！
文摘
2024-11-09 07:30
青海
【研究背景】
随着人工智能和大数据技术的快速发展，传统的冯·诺依曼架构已无法满足日益增长的计算需求，这引起了学术界和工业界对类脑计算的关注。类脑计算是一种新兴的计算范式，通过模拟人脑的工作原理，能够实现高效的数据处理和决策能力。在此背景下，忆阻器作为一种具有潜力的存储和计算单元，逐渐成为类脑计算硬件的重要组成部分。忆阻器的基本原理在于其电导状态可以根据历史电流进行调节，这种特性使其能够进行内存计算。然而，目前大多数模拟忆阻器的开关比较低，通常不足20，这限制了其在高精度权重映射和多电导态存储中的应用能力。开关比是指低阻态和高阻态之间的电导比值，其直接影响到计算精度和存储容量。研究表明，现有的忆阻器技术主要面临两个主要问题：一是开关比不足，导致权重映射能力下降；二是功耗较高，限制了其在大规模集成电路中的应用。为了解决上述问题，许多科学家致力于探索新的忆阻器设计和材料选择。研究者们提出了通过调节离子迁移和电化学反应来提高忆阻器的性能，其中包括采用插层材料或改进电极结构等策略。然而，这些方法往往会引入缺陷或导致残留导电丝，从而影响器件的性能和稳定性。因此，尽管有多个研究方向在努力提升模拟忆阻器的开关比和功耗表现，但大多数设计仍然面临开关比与模拟特性之间的权衡。本研究针对以上挑战，武汉大学李叶生, 何军等，武汉理工大学Yao Xiong等团队携手提出了一种新型的低功耗模拟忆阻器设计，采用了二维范德瓦尔斯金属材料（如石墨烯或铂二硫化物）作为阴极，结合银作为阳极和磷硫化铟作为开关介质。通过在阴极中引入离子插层/去插层策略，研究者成功创建了一个高扩散屏障，以调节银离子的迁移，进而实现了高达10^8的开关比和超过8位的电导态。这种创新设计不仅显著提高了忆阻器的开关比，还降低了功耗至56阿托焦耳，为类脑计算的高效性提供了技术支持。![]()
【图文解读】
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图1:利用范德瓦尔斯van der Waals，vdW 金属石墨烯graphene，GR作为正极，具有较大开/关比的模拟开关。![]()
图2:在银Ag/硫化铟磷indium phosphorus sulfide，IPS/石墨烯GR忆阻器中的多级开关。 ![]()
图3:利用多层范德瓦尔斯vdW PtTe2作为正极，硫化铟磷IPS忆阻器的模拟开关性能。![]()
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图5:卷积神经网络convolutional neural network，CNN芯片级实现。【结论展望】
本文的研究展示了利用二维范德瓦尔斯金属材料作为阴极的ECM忆阻器在模拟开关和高开关比方面的巨大潜力。这一发现不仅在忆阻器的性能提升上具有重要意义，还为构建高效能模拟神经网络芯片提供了新的思路。通过调控银离子在电极中的插层/去插层过程，研究者实现了高达10^8的开关比和超过8位的电导状态，这为大规模类脑计算和低功耗神经形态计算提供了理论支持和技术基础。此外，结合卷积神经网络（CNN）的芯片级仿真，本文成功实现了从CIFAR-10数据集中图像识别的高准确率（91%），进一步验证了这一技术在实际应用中的可行性。未来，类似的策略可以推广至其他开关材料和范德瓦尔斯电极，为设计新型模拟忆阻器和智能硬件设备开辟了新的研究方向。该研究为推动脑启发计算和人工智能硬件的发展提供了有力的技术路径，具备广阔的应用前景。原文详情：Li, Y., Xiong, Y., Zhang, X.et al. Memristors with analogue switching and high on/off ratios using a van der Waals metallic cathode. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01269-y👉 点击左下角“阅读原文”，即可直达原文！💖
