前沿|西交大科研团队综述：基于非易失性相变存储器的神经启发计算

21世纪，随着信息化技术蓬勃发展，以互联网为核心的新一轮科技产业革命正在如火如荼地开展。人工智能是引领新一轮技术革命和新时代产业变革的关键技术，正在深刻改变人类生产与生活方式。硬件神经形态计算技术，因其具有超高的算力和低功耗等特点，成为模拟生物神经网络实现未来人工智能的优选方案之一。用于模拟神经突触的电子突触器件是神经形态芯片模拟生物神经网络的重要基础。电子突触器件的功耗、尺寸、可靠性直接关系到神经形态芯片的可靠性。

近十年来，新兴的“后摩尔”非易失性存储器，相比于传统晶体管元器件，具有超低能耗、高度集成的特点，是潜在的可靠电子突触器件。主流的非易失性器件包括阻变随机存储器、相变随机存储器（phase-change random access memory, PCRAM）、磁性随机存储器、铁电存储器等。PCRAM制备工艺相对成熟，在存储器领域表现出高耐受性、高数据保持性、高集成度。

此外，近几年来，诸多研究揭示了相变存储器在多级存储以及其电导可调控方面的特性。由此，相变存储器逐渐成为备受期待的电子突触器件。相变电子突触其可靠突触可塑性的实现主要依赖于存储器本身的多级存储可靠性以及编程脉冲激励的驱动。

西安交通大学电信学部电子学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室任巍教授、牛刚研究员课题组长期从事“后摩尔”功能薄膜与硅的异质集成和非易失性存储器件的研究。该团队联合中科院上海微系统信息技术研究所宋志棠研究员团队合作在Advanced Electronic Materials期刊上发表题为“Phase Change Random Access Memory for Neuro-inspired Computing”的研究综述论文。西安交通大学博士生王强为该论文第一作者，西安交通大学牛刚研究员、任巍教授和中科院上海微系统所宋志棠研究员为该论文通讯作者。论文获得了包括国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目的资助。

图1 神经启发计算技术概览

综述首先概括了硬件神经启发计算技术关联的生物神经学基础，介绍了神经元、突触及突触可塑性(LTSP, STSP, STDP、Metaplasticity、Wiring Plasticity、Intrinsic Plasticity)的生物学原理。详细总结了现有PCRAM技术在神经启发计算领域的国内外研究进展，阐释了PCRAM实现神经突触模拟和神经启发计算的方法以及神经启发计算对PCRAM在器件性能和器件设计上的技术要求。

图2 PCRAM双向电致电导可调特性

揭示了PCRAM硬件神经启发计算在材料、器件设计、突触架构、算法及器件功耗等方面所面临的挑战，并指出潜在的应对措施。最后，本文指明了相变存储神经启发计算机制、PCRAM电子突触的材料与器件设计及突触架构设计等方面潜在的发展方向，推动高性能硬件神经启发计算技术的发展。

Qiang Wang, Gang Niu,* Wei Ren,* Ruobing Wang, Xiaogang Chen, Xi Li, Zuo-Guang Ye, Ya-Hong Xie, Sannian Song and Zhitang Song, * Phase Change Random Access Memory for Neuro-inspired Computing, Advanced Electronic Materials, Adv. Electron. Mater. 2021, 2001241. DOI: 10.1002/aelm.202001241.

任巍，现任西安交通大学国家级特聘教授，电子科学与工程学院博士生导师，西安交通大学“领军学者”、西安交通大学国际电介质研究中心执行主任，电子学院铁性材料与集成器件研究所所长。

先后承担了“863”项目和“973”课题、国家自然科学基金重点和面上项目以及科技部国家国际科技合作专项等项目，已发表学术论文300余篇，获中国发明专利30项和美国发明专利1项。

现任国际铁电学顾问委员会委员、IEEE高级会员、IEEE-UFFC学会铁电委员会委员、IEEE-UFFC学会超声程序委员会TPC5委员和亚洲铁电联盟执委会委员。任巍教授现任中国物理学会电介质物理专业委员会秘书长、曾任国务院学位委员会第六届学科评议组电子科学与技术组成员、全国博士后管委会第七届专家组委员、中国物理学会电介质物理专业委员会主任委员。任巍教授也是多个国际会议的组织委员会和程序委员会的委员，并多次在国际会议上做特邀报告。曾获教育部科技进步二等奖（第一完成人）、中国高等学校发明奖二等奖和中国计量测试学会二等奖。

研究方向：介电铁电薄膜、集成传感器与执行器、铁电MEMS、铁电材料与器件：材料组成、结构与性能关系

电子邮箱：wren@xjtu.edu.cn

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办公地址：兴庆校区 教二南楼

牛刚，西安交通大学研究员，博士生导师，德国“洪堡学者”、陕西省特聘专家，电子学院副书记，铁性材料与集成器件研究所副所长。IEEE高级会员、中国电子学会高级会员。

曾获德国国家研究基金会 “DFG-Mercator学者”和中国电子学会优秀科技工作者等称号。长期从事“后摩尔”功能薄膜与硅的异质集成和非易失性存储器件的研究。主持多项由国家自然科学基金委、德国国家研究基金会和陕西省重点研发计划等资助的研究项目。

已发表学术期刊论文90余篇，H因子25。撰写Elsevier出版的英文书籍《Molecular beam epitaxy》一章，翻译出版了高教社图书《晶体生长初步》。授权发明专利8项。近5年来在MRS、EMRS、ECS、SPIE和IEEE-ICICDT等国际会议上做特邀报告17次，多次担任EMRS等国际会议的科学委员会委员及分会主席。担任期刊Nano Express编委和Microelectronic Engineering的客座编辑。

研究方向：

“后摩尔”(More than Moore) 材料与器件：

1. 功能性氧化物纳米外延薄膜与硅的集成

2. 基于非易失性存储的人工突触器件

3. 二维材料（石墨烯、二硫化钼等）与半导体及多铁纳米结构的混合系统

电子邮箱：gangniu@xjtu.edu.cn

联系电话：82668605

办公地址：兴庆校区 教二南楼

个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/gangniu

JAD是由姚熹院士创办并担任主编的英文学术期刊，由新加坡世界科技出版集团（WSPC）和西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）共同主办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域。旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、Scoups、CA、CNKI等多种检索数据库收录。

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