山东大学王天宇、孟佳琳等人综述新兴忆阻器在存算一体应用中的研究进展

背景介绍

忆阻器作为一种新兴的非易失性器件，以其低功耗、高密度和多功能性引起了广泛关注。在现代计算系统中，传统的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的逻辑门面临着功耗高、集成面积大以及数据处理过程中频繁的存储和计算之间数据传输（即“冯·诺依曼瓶颈”）等挑战。这限制了其在人工智能、物联网等高算力、高能效场景下的进一步发展。忆阻器因其独特的电阻开关特性，能够将数据存储与逻辑运算在同一器件中融合，为实现存内计算提供了革命性的解决方案。因此，探索基于忆阻器的逻辑门设计与应用，对于构建下一代高性能、低功耗的计算架构具有至关重要的意义。

研究进展

作为典型的存算一体功能，研究团队针对存内逻辑计算系统阐述了如何利用忆阻器的电阻状态直接实现原位布尔逻辑计算。通过电压分压原理或材料蕴含逻辑（IMP），忆阻器能够构建紧凑的逻辑门。进一步地，通过将忆阻器与CMOS器件结合或设计纯忆阻器状态逻辑（如MAGIC架构），可以高效实现NAND、NOR等复杂逻辑功能，显著降低电路复杂度和功耗。（图2）

研究还重点探讨了光电逻辑门的发展。通过引入光信号作为输入，忆阻器逻辑门能够利用光生载流子或光致离子迁移效应，实现快速、低功耗且可重构的逻辑运算。（图3）部分器件甚至能够融合电、光及湿度等多模态输入，执行环境感知的复杂逻辑决策，展现了在智能传感和边缘计算中的应用前景。

在组合逻辑层面，忆阻器阵列被成功用于构建异或门、半加器、全加器等基本算术单元，并进一步应用于并行前缀加法器等复杂结构。（图4）通过多数逻辑门或阈值逻辑等设计，忆阻器阵列能够实现高并行度、高能效的存内算术运算。这些功能也被拓展至硬件加密领域，利用忆阻器阵列实现了数据与图像的高效加密与解密，验证了其在集成逻辑-存储与安全计算系统中的潜力。

未来展望

展望未来，基于忆阻器的逻辑门技术在多领域展现出广阔前景。在计算架构方面，忆阻器逻辑有望推动存内计算和神经形态计算硬件的发展，通过模拟生物突触与神经元的行为，构建高效能、低功耗的类脑智能芯片。在边缘计算与物联网领域，其低功耗、高集成度及多模态信号处理能力，非常适合用于智能传感器、可穿戴设备等场景。

然而，要实现忆阻器逻辑的大规模实际应用，仍面临器件性能均一性、多态稳定性、阵列规模扩展性以及与现有CMOS工艺兼容等关键挑战。未来的研究需要聚焦于开发高性能、高可靠性的忆阻器材料与集成工艺，同时设计鲁棒的电路架构和纠错机制以应对器件非理想特性。随着材料科学、器件物理与电路设计的协同创新，忆阻器逻辑门有望成为突破传统计算范式、开启后摩尔时代高效智能计算的关键使能技术。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0916