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內容簡介

隨著人工智能（AI）和物聯網（IoT）的快速發展與深度融合，AIoT已成為備受關注的新興技術，悄然改變著人們的日常生活。然而，數據的爆炸式增長對AIoT系統的信息存儲和處理能力提出了挑戰。易失性閾值轉變憶阻器作為一種新興的納米器件，具有結構簡單、低功耗、易集成，以及與CMOS工藝兼容等優勢，被廣泛應用于選通管、人工神經元、真隨機數產生（TRNG）等領域，有助于高密度存儲和高能效計算的硬件實現，推動AIoT技術的發展。

圖1. 面向AIoT系統中數據與信息的采集、存儲、處理以及傳輸，易失性閾值轉變器件的具體應用場景：痛覺感知器/人工感知神經元、選通管、脈沖人工神經元、TRNG等。

近日，華中科技大學李祎副教授、繆向水教授團隊對近年來易失性閾值轉變憶阻器的研究進展進行了系統性的概述與總結。主要包括：

（一）易失性憶阻器的分類與物理機制。依據器件阻變機理，可以將易失性憶阻器分為金屬導電細絲型、OTS型和MIT型三類，并對三類器件的材料、結構、性能、機理進行了詳細介紹。

圖2.三種易失性閾值轉變器件：金屬導電細絲型、OTS和MIT。

（二）面向AIoT系統中數據與信息的采集（傳感）、存儲、處理（計算）和傳輸安全，詳細分析了易失性閾值轉變憶阻器的應用場景，具體包括：

1) 選通管（Selector）。為了抑制交叉存儲陣列的漏電流問題，往往引入選通管與存儲單元集成設計。相比于非易失性器件，易失性憶阻器作為選通管時，不需要額外的復位操作，簡化了外圍電路的設計，有助于存儲芯片的高密度集成；

2) 硬件安全（Hardware Security）。由于易失性憶阻器的本征隨機特性，比如Vth的波動性，使其可以作為熵源，用于物聯網安全驗證的真隨機數產生器（TRNG），以及物理硬件的唯一特征指紋——物理不可克隆函數（PUF）；

3) 人工神經元（Artificial Neurons）。易失性憶阻器與生物神經元有極大的相似性，可以極其忠實的模擬生物神經元的功能，比如全或無（all-or-nothing）、閾值激發、不應期等；

4) 人工感知器。易失性憶阻器可以與其他器件串聯，用于人工感知器，比如痛覺感知器，可以對外部的刺激信號（光、聲、電、壓力等）進行收集與傳遞；

5) 其他方面的應用。易失性憶阻器還可以應用于超陡亞閾值擺幅晶體管（Steep Subthreshold Slope Transistor）、邏輯器件等。

最后，針對不同的應用場景，對易失性憶阻器的性能特點進行了總結，并提出可行的性能優化方向。同時，對其應用場景的發展進行了總結與展望。

圖3. 三類易失性閾值轉變器件的性能特點與比較。

該文章以題為“Volatile threshold switching memristor: An emerging enabler in the AIoT era”發表在Journal of Semiconductor上。

審核編輯 ：李倩