计算存储融合的高性能氧化物忆阻逻辑器件基础研究

Memristor is considered as one of most promising basic devices for new memory computing architecture due to its resistive switching memory and logic application potential . Memristive logic operation face many challenges of device performance and logic operation. In order to solve these challenges, this project will start to study the microscopic physical mechanism of memristive devices, and study the internal relationship between memristive characteristics and microscopic physical properties, and extract key physical parameters of the device characteristics. Based on the deep understanding, optimized design methods are proposed to improve materials characteristics, device structure and device operation mode.   High performance nonvolatile memristive logic device with high speed, high reliability and low power and memristive array will be fabricated. 16 Basic Boolean logic operation method and logic cascade and the multiplier operation will be designed and carried out. These project results will establish technological and theoretical foundation of oxide memristive materials and devices and their logic-in-memory application, and provide key device solutions for the new memory computing architecture.

忆阻器由于兼具非挥发阻变存储特性和逻辑运算特性，被认为最有潜力成为未来信息计算与存储融合计算架构的核心基础器件。本项目针对忆阻器逻辑运算面临的器件性能及其复杂逻辑实现技术的挑战，从研究氧化物忆阻逻辑器件的微观物理机理出发，研究氧化物忆阻逻辑器件特性与材料器件结构、器件工作模式及相关联的物理效应之间的内在联系，研究掌握关键物理效应与器件性能的依赖关系。在此基础上 ，研究建立忆阻器材料、结构与操作模式的优化设计技术平台，制备高速度、高可靠和低功耗的高性能忆阻逻辑器件及集成阵列，提出利用电阻值为逻辑变量和电阻相互耦合效应实现逻辑运算和级联的方法，实现16种基本布尔逻辑运算的逻辑操作与逻辑级联，实现乘法器运算功能。本项目成果的取得，将为氧化物忆阻器件在计算存储融合体系架构的应用研究奠定坚实的技术基础。

随着大数据、物联网等新型信息技术的发展，对数据信息的存储与处理的要求越来越高，发展高速、低功耗的数据信息处理技术成为必需。当前计算机与微电子技术的进一步发展遭遇冯诺依曼瓶颈以及摩尔定律放缓限制，探索开发新的计算机体系架构与新型微电子信息存储与处理器件的需求非常迫切。研究计算和存储融合的非易失逻辑器件是新技术变革的重要基础。新型忆阻器件与基于忆阻的计算存储融合的新型体系架构为满足信息技术的需求提供了新的发展途径。. 本项目针对忆阻逻辑器件的发展需求，在忆阻器件材料结构优化、器件阵列操作模式、忆阻逻辑运算及其应用技术等方面开展研究。研究提出了通过界面层控制、电极材料优化等氧化物忆阻器件性能优化的技术方法；研究提出了提高忆阻阵列阻变稳定性和可靠性的创新操作模式和方法；研究了基于1T1R忆阻阵列的忆阻逻辑运算与逻辑级联的方法及实现原理，并提出忆阻逻辑阵列在随机计算技术领域的应用方法；研究了氧化物忆阻突触器件的制备和优化，展示了基于1T1R忆阻阵列的神经形态网络系统在图像识别领域的应用潜力。. 通过本项目的实施，共计发表了国际学术期刊和会议论文15篇，申请发明专利8项，为忆阻器件阵列的性能优化及其在存算融合领域的应用，提供了重要应用基础技术支撑。