近日，我院王興晟、缪向水教授團隊關于憶阻器存算一體化颠覆性技術的最新研究結果發表在著名綜合性學術期刊《Advanced Science》，題為“Reconfigurable and Efficient Implementation of 16 Boolean Logics and Full-Adder Functions with Memristor Crossbar for Beyond von Neumann In-Memory Computing”，我校為論文第一和通訊單位，王興晟教授為論文通訊作者，博士生宋玉潔為論文第一作者。《Advanced Science》是由著名出版商Wiley于2014年創辦的綜合性期刊，緻力于發表各學科高水平論文，2021年影響因子16.806。
（詳見https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202200036）。
目前研究現狀
延遲、能耗、面積是數據處理器的主要性能指标，随着物聯網的普及，邊緣計算設備數量龐大，需要計算和存儲海量數據，使得低功耗計算成為關鍵的訴求。因當前主流的馮·諾依曼計算架構固有的存儲單元與計算單元分離，導緻數據在存儲和計算單元之間頻繁搬移，對處理器主要指令的使用頻率的統計數據表明，數據搬移是使用頻率最高的指令類型，數據在高速CPU和低速内存之間來回搬移，存和取造成了幾倍于實際計算過程幾個數量級的時延，另外，數據遷移能耗比計算能耗高一到兩個數量級，造成了巨大的能量消耗。
區别于現有以晶體管為基礎的易失性電平邏輯，非易失性存算一體化技術首先在原理上存在本質差别。通過引入非易失性的物理變量（如電阻）參與運算，基于器件及陣列中的歐姆定律、基爾霍夫定律等物理定律來執行計算，都是現階段可預見的高能效計算解決方案。當前文獻報道的憶阻邏輯運算、算術運算和矩陣運算等方案中，大部分工作隻能支撐單一計算方法的物理實現，在應用方向存在局限性，這嚴重制約了憶阻器存算一體化技術的發展。此外，現有技術方案運算效率低，且未有成熟、系統、公認的計算理論和方法。因此發展高能效、功能可重構的憶阻計算理論和電路是本工作的核心研究内容。
研究成果
研究團隊研發了高性能Ti/HfO2/TiN二值憶阻器，在8英寸晶圓流片實現了規模集成。基于憶阻器的電阻轉變行為，研究團隊提出了以V/R-R型“兩個并聯憶阻器再串聯一個電阻（2M1R）”的新型邏輯計算基本結構為基礎，進行推導驗證，通過端電壓配置，兩步操作實現完備的布爾邏輯計算功能，從而克服以前憶阻器邏輯計算方案中存在的缺陷和不足，本工作電路單元結構簡單且統一，計算步驟少，邏輯門可級聯，尋址簡單，對電壓源數量的要求低，且降低了最大操作電壓。在制備的Ti/HfO2/TiN憶阻器陣列中實驗證實了可重構邏輯方案的可行性。
該工作為未來存算一體化技術提供了備選方案，在存内邏輯計算領域取得重要突破，為非馮計算系統的構建提供了邏輯算法支持。未來有望在複雜邏輯拆分和高效硬件映射、高能效存儲算術邏輯一體化單元（MALU）複雜架構和設計方法等方面做出新的貢獻。
該工作獲得了國家重點研發計劃項目(Grant No. 2019YFB2205100)、湖北江城實驗室、湖北省先進存儲器重點實驗室的部分支持。
本工作提出的基于憶阻器的存内邏輯計算電路
