進展 | 基於憶耦器同時實現非易失性多態存儲器和邏輯門

隨著摩爾定律的失效，基於半導體集成電路的信息技術已逐步逼近物理極限，后摩爾時代的信息技術亟待全新的範式和原理。現代計算機自問世以來一直採用馮諾依曼結構，即運算器與存儲器分離，這種結構使得運算器與存儲器之間的數據傳輸成為影響系統性能的瓶頸（稱為馮諾依曼瓶頸），大大限制了計算機性能的提高；同時，由於現代計算機中的運算器和主存儲器（如DRAM）都是易失性器件，不僅在斷電后信息立即消失，而且具有較高的能耗。因此，開發新型非易性器件，採用非馮諾依曼結構，實現運算器和存儲器合二為一（logic in memory），是未來發展高性能、低功耗、即開即用型計算機要解決的關鍵問題。當前，憶阻器（memristor）作為一種非易失性器件，由於同時具有信息存儲和邏輯運算功能，有望在未來替代半導體晶體管，受到了學術界和工業界的廣泛關注。

圖1. 憶耦器的結構和原理示意圖。通過施加電壓改變磁電耦合係數的狀態來寫入信息，通過施加磁場來并行讀取信息。

近期，科學院物理研究所磁學國家重點實驗室孫陽研究員、尚大山副研究員和柴一晟副研究員等提出了另一種非易失性器件—憶耦器（memtranstor），並在單個憶耦器上分別實現了兩態存儲、多態存儲和布爾邏輯運算。憶耦器是一種基於非線性磁電耦合效應的記憶元件，源於第四種基本電路元件電耦器（transtor）。憶耦器的基本特徵是其表現出非線性電荷-磁通回滯曲線。與憶阻器採用電阻（R = dv/di）的狀態存儲信息不同，憶耦器採用電耦（T = dq/dφ，或者等效於磁電耦合係數 α= dE/dH）的狀態來存儲信息。憶耦器的信息處理原理採用電寫磁讀，具有高速度、高密度、低功耗、并行讀取、結構簡單、易於製備等優點。

圖2. 基於憶耦器實現非易失性多態存儲器。

n

0.28

0.72

1.95

圖3. 基於憶耦器實現非易失性邏輯門NOR

這些系列研究進展表明，憶耦器在開發下一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。與目前人們廣泛關注的憶阻器相比，憶耦器具有更低功耗和并行信息處理等優點。以上研究成果分別發表於Phys. Rev. Applied 6, 021001 (2016)；Phys. Rev. Applied 6, 064028 (2016)；Sci. Rep. 6, 34473 (2016)；Appl. Phys. Lett. 109, 252902 (2016)。在2016年11月於美國新奧爾良舉行的第61屆國際磁學與磁性材料大會（MMM）上，孫陽研究組關於憶耦器的工作被評為大會最佳張貼報告獎（Best Poster Award），是地區（包括台灣、香港和澳門）唯一獲得該獎項的工作。

圖4. 基於憶耦器實現非易失性邏輯門NAND。

編輯：J.C.

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