【据美国半导体摘要网站2020年5月11日报道】当前，忆阻器的研究受到了全世界研究人员的广泛关注，该器件的运行方式类似于大脑神经元的处理方式，且功耗极低。近日，德国于利希-亚琛研究联盟（JARA）与德国技术集团贺利氏（Heraeus）的研究人员发现忆阻器材料构成的微小差异会使其性能产生巨大变化，而过去的学者们都忽视了这些差异。研究人员的发现可以帮助提高忆阻技术的应用，如非易失性存储器件以及基于神经系统的计算机。

忆阻器凭借着优越的性能受到了全世界科技公司和研究机构的强烈关注，并被普遍认为有望成为传统计算机纳米芯片的替代品。早在2017年，日本电气股份有限公司（NEC）就在其航天卫星上安装了第一个忆阻器原型。而像惠普、英特尔、IBM以及三星等科技龙头企业也正致力于将基于忆阻器应用的创新型计算机和存储设备推向市场。本质上讲，忆阻器只是“带记忆能力的电阻”，高低电阻间可以互相切换，其工作模式类似于生物神经系统中的突触，具有极高的适应能力。德国于利希研究中心的研究人员指出：“忆阻器被认为是基于大脑神经元设计的计算机的理想器件，它在深度学习和人工智能领域具有非常高的研究价值。”

在最新的《科学进展》期刊中，研究人员介绍了如何控制忆阻器件的阻值切换及其神经形态运行，并认为控制的关键是氧化层的材料纯度。伊利亚•瓦洛夫博士表示：“材料的微小差异会引起忆阻器性能的很大变化，即使纯度仅差10^-6的量级（或更低），其性能都会有巨大差别。”然而，研究人员一直以来忽略了纯度造成的影响，设计材料纯度非常适合于忆阻器系统的设计，就像在信息技术领域设计半导体材料一样。研究人员表示：“引入外来原子使薄氧化层的溶解度和传输特性得到了控制。” 该设想由德国贺利氏科技公司的于2015年提出，并一直致力于该项目的研究。德国贺利氏科技公司表示：“近年来，忆阻器的研发和应用有了显著进展，但进展的实现往往都是来源于纯粹的理论经验。该发现使得设计具有不同兴奋层度的人工突触成为可能。”因此， 制造商可以按照所需要的功能开发忆阻器件，材料掺杂的浓度越高，忆阻器阻值的变化就越慢，忆阻器就越稳定。

人工突触设计规范

大脑学习和记忆功能很大程度上取决于神经元之间连接的频繁程度。忆阻器有不同的类型，如电化学金属化单元（ECM）或价态变化记忆效应单元（VCM），但它们的运行方式却是类似的。当使用这些器件时，电导率会随输入电压脉冲数的增加而变大，同时该过程是可逆的。

于利希-亚琛研究联盟的研究人员在电化学金属化单元上进行了系统的实验，构成部分包括铜电极、铂电极及两个电极之间加了一层二氧化硅。研究人员准备了两种不同纯度的二氧化硅材料：一种纯度为99.999999%（也称为“8N二氧化硅”），另一种纯度为99%~99.99%。这两种精确掺杂的二氧化硅都是由贺利氏集团科纳米（Conamic）公司专门开发和制造的，并作为一项专利技术，其将铜和质子作为移动掺杂剂，将铝和镓作为非挥发性掺杂剂。

记录转换时间来证实理论

研究人员通过实验证明，电化学金属化单元的转换时间会随着掺杂原子数量的变化而变化。如果氧化层采用“8N二氧化硅” 构成，那么忆阻器件的开关时间仅为1.4纳秒。在此之前，电化学金属化单元最快的转换时间约为10纳秒。而采用纯度为99%~99.99%的二氧化硅，转换时间则被延长至毫秒级。研究人员表示：“该实验结果可以在理论上得到解释，这有助于理解纳米尺度上的物理化学过程，并将这些知识应用于实践。”考虑到普适的理论、实验结果、以及一些文献纪录，研究人员认为，这种方法也适用于其他类型的忆阻器。（国家工业信息安全发展研究中心 刘彧宽 朱航琪）