金属氧化物忆阻器超高速行为与机理研究

Recently, non-von neumann architecture is proposed to solved energy speed dilemma induced by the big data movement between memory and process. Metal oxide based memristor is one of the most promising candidate for the novel computing However, the memristor can't achieve the high efficient computing's requirement. To improve performance multilevel states and energy consumption of the memristor, enhancing the operation speed is a most reasonable way. But because lack of sub-ns characterization methodology, maximum speed real power consumption electrical behavior and the corresponding mechanism of metal oxide based memristor under ultra-fast pulse is unknown now. In this project, based on sub-ns ultra-fast measurement system a ultrs-fast measurement methodology will be developed to break the bottleneck of memristor's ultra-fast characterization. Based on this, critical studies about ultra-fast behavior and mechanism of the memristor for non-von-neumann architecture application can be done. Consequently, boosting the key performance of memristor and developing its evaluation method will be realized.

近期，非冯·诺依曼计算架构被提出来解决传统计算机中存储器和处理器大量数据交换造成的能效问题。为了从根本上满足新型计算架构的需求，金属氧化物忆阻器被认为是最佳选择之一。然而，当今忆阻器的发展远无法满足未来高能效计算的要求，为了进一步提高金属氧化物忆阻器的速度、增加状态数量并减小功耗，提高其工作速度是必然的选择。但由于缺乏相应的测试表征手段，忆阻器在超高速操作时其的极限工作速度是多少、每次操作的真实能耗、特性如何及相应机理是目前研究的难点。本项目将基于亚纳秒级超高速测试系统开发针对忆阻器的超高速测试方法，该方法可突破忆阻器超高速行为及机理研究的技术瓶颈。在此基础上，可对面向非冯·诺依曼计算体系的忆阻器在超高速脉冲信号激励下的行为及机理等关键科学问题展开研究，同时设计优化高速操作模式提高忆阻器的核心性能并得到其高速性能评估方法。

存储器器件与逻辑器件速度等特性差异所造成的“存储墙”问题是目前集成电路发展的关键瓶颈之一。为满足未来高能效计算的要求，突破“存储墙”的限制，本项目针对金属氧化物忆阻器的超高速行为及其机理展开了系列研究。通过研究建立了可在亚纳秒级的工作速度下正确施加激励脉冲并准确测量金属氧化物忆阻器的实时响应电流的高速测试系统，并拓展了其在MRAM等其他非易失性存储器及晶体管表征方面的应用。通过对金属氧化物忆阻器真实可靠的高速特性的表征，发现其在高速工作条件下，其行为符合由我国科学家所提出的忆阻器机理，证明了这一机理的普适性。基于超高速测试系统对金属氧化物忆阻器的表征与提参，建立了可嵌入电路仿真工具的忆阻器电路模型。通过项目研究，建立了金属氧化物忆阻器高速电路特性评估与优化的成套方法；通过材料与操作模式优化研制了高速非对称忆阻器，并将其应用于非冯计算与TCAM等对忆阻器工作速度有较高要求的新应用领域。.因此，本项目通过超高速测试系统搭建对金属氧化物忆阻器高速特性进行了深入的表征与机理研究，为提升忆阻器工作速度、降低功耗、提高状态数量等忆阻器核心性能提供了理论指导，对未来研制可与逻辑器件速度匹配的超高速忆阻器提供了行之有效的方案。