近日，浙江大學信息與電子工程學院趙毅教授課題組研發出一種低成本、低功耗的新型存儲器。這項基於可工業化生產的半導體集成電路製造工藝的工作，將大幅提高數據交換速度，降低網絡芯片的製造成本，進而從理論上為“萬物互聯”打下基礎。同時，還可為數據“打上”標籤，為未來物聯網社會增添更多想象。
存儲器，顧名思義就是存儲信息的器件，內容尋址存儲器是其中特殊的一種。早期的芯片中當輸入一個網絡地址時，需要通過大量搜索找到對應的接口，方可進行數據訪問。這一系列“小蝌蚪找媽媽”式的匹配過程中，效率是很低的；而內容尋址存儲器就像讓存儲在其中的大量被尋找的“青蛙媽媽”喊出名字，實現快速的搜索與配對。
如何讓尋找這一過程的效率更高、時間更短，這是科學家們聚焦的重要問題。
研製“記憶二極管”
要讓尋找的時間短，首先要做到記得多、記得巧。
而常見的憶阻器就是一種典型的非易失性存儲，但問題在於普通的憶阻器數據輸入輸出不分端口，因此使得電路容易形成紊亂和干擾。如何能夠讓電流路徑單向？研究人員從生物的神經突觸單向傳導中來防止信息干擾的特點尋找到靈感；希望基於已普遍應用的二極管這種有相類似的單向傳遞特性的電子器件來實現相應功能。
那麼如何將無法單向的憶阻器和能夠單項的二極管合二為一？課題組通過大量實驗，找到鍺這一半導體材料。在之前的很多年裡，趙毅課題組已對鍺在邏輯器件中的應用有著深入的研究和探索。這次，他們利用鍺獨特的表面性質，在鍺表面生長憶阻器材料，形成一種新的器件，趙毅課題組稱之為 “記憶二極管”。
趙毅說：“我們課題組研發的這個新器件，將原來需要一個電路才能做到的工藝，用一個器件就能實現其功能。”這種新器件大量縮小了芯片面積，在手機等小型化電子設備中，這樣的縮小可以為其他功能的實現“騰出”大量空間。趙毅課題組只需兩個記憶二極管就可構成一個存儲單元，使用面積縮小几十分之一。
TCAM（三態內容尋址存儲器）的工作原理示意圖：查找數據並行輸入存儲器內部後與存儲數據進行同時匹配，並輸出匹配結果。其中，相比與傳統的由10個晶體管構成的基於SRAM的核心單元，本研究中的核心單元只由兩個簡單的記憶二極管構成。
實現了多和小，如何實現快呢？
常見的ip地址由多個字段組成，傳統“兩態對比”從0、1兩個維度開展一對一的搜索和比對。這種兩態對比，在小規模的數據中顯示不出劣勢，但當數據達到一定量級就顯示出“手工”一般的低效。
而三態比對就顯示出其優勢，通過0、1、X三個維度增強對比覆蓋率，“x相當於是對相同字段的‘打包’，通過這種模糊處理可以縮短比對字段。”這三種狀態，則由記憶二極管的“開”“關”兩種狀態來組合實現，進而加快數據流通，有助於實現整體上網速度的加快。趙毅介紹，這種加速或許對例如一個區域內只有一兩臺手機上網的情況無法顯現得那麼明顯，但當人口稠密時，其優勢就可以得到顯現。
在物聯網社會“打標籤”
目前芯片存儲技術主要有兩類，第一類是易失性存儲，例如計算機的內存，但是斷電後數據會立即消失；第二類是非易失性存儲，例如U盤，寫入數據後無需額外的能量也可保存10年。
浙大研製出的記憶二極管陣列構成的三態尋址存儲器，因為原始憶阻器就具有非易失性，因此整個尋址存儲器在休眠狀態中對能量幾乎無消耗。而由於較為簡單的構造方式，其生產成本也較原先大大降低。
科學家應用這兩大優勢，對他們研製的新器件在未來的應用展開了設想。
如這項存儲器技術還可以提高計算機領域科學家對“大數據”的處理能力，通過對數據“打標籤”，這樣讓搜索變得更為便捷。“ 現有的ip地址實際上就是一種標籤，可以選擇通過ip將某個數據傳遞到某處。”趙毅介紹，“如果僅僅是引用現在的技術，要給每個數據打標籤還有成本的門檻要過，而研製出的記憶二極管陣列構成的三態尋址存儲器就完全不用考慮成本。”
這項研究的論文被國際超大規模集成電路峰會（2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits）接收。這個會議是集成電路領域的頂級國際會議，在國際集成電路學術界以及工業界均享有很高的學術地位和廣泛影響。這也是浙大學者首次在Symposia on VLSI Technology and Circuits上發表論文。
該研究受到國家重點研發計劃與國家自然科學基金的支持。
這項研究第一作者為浙江大學信息與電子工程學院碩士研究生張依，通訊作者為青年千人計劃入選者趙毅教授。
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