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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光團隊一直致力于鐵性隧道結信息存儲原型器件研究，在磁電耦合、超快、多阻態(tài)、低功耗、非易失信息存儲等方面取得了重要進(jìn)展。在前期研究基礎上，近日，該團隊基于鐵電隧道結量子隧穿效應，實(shí)現了具有亞納秒信息寫(xiě)入速度的超快原型存儲器，并可用于構建存算一體人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，該成果以Sub-nanosecond memristor based on ferroelectric tunnel junction 為題在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》雜志上（Nat. Commun.）。

　　在大數據時(shí)代，海量數據的低能耗、快速存儲處理是突破和完善未來(lái)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。為此，迫切需求一種既像SRAM一樣能匹配CPU處理數據的速度(<1ns)，又像閃存一樣具備高密度、非易失的信息存儲。更進(jìn)一步地，如果該存儲器還具有優(yōu)秀的憶阻特性，從而實(shí)現人工突觸器件的功能，則可用于構建存算一體的計算系統，并有望突破馮諾依曼架構，為人工智能提供硬件支持。

　　研究人員制備了高質(zhì)量Ag/BaTiO₃/Nb:SrTiO₃鐵電隧道結，其中鐵電勢壘層厚為6個(gè)單胞（約2.4nm）?；谒淼澜Y能帶的設計，以及其對阻變速度、開(kāi)關(guān)比、操作電壓的調控，該原型存儲器信息寫(xiě)入速度快至600ps（注：機械硬盤(pán)的速度約為1ms, 固態(tài)硬盤(pán)的約為1-10ms）、開(kāi)關(guān)比達2個(gè)數量級，且其600ps的阻變速度在85℃時(shí)依然穩定（工業(yè)測試標準）；寫(xiě)入電流密度4×10³A/cm²，比目前其他新型存儲器低約3個(gè)量級；一個(gè)存儲單元具有32個(gè)非易失阻態(tài)；寫(xiě)入的信息預計可在室溫穩定保持約100年；可重復擦寫(xiě)次數達10⁸-10⁹次，遠超商用閃存壽命（約10⁵次）。即使在極端高溫（225℃）環(huán)境下仍能進(jìn)行信息的寫(xiě)入，可實(shí)現高溫緊急情況備用。這些結果表明，該鐵電隧道結非易失存儲器具有超快、超低功耗、高密度、長(cháng)壽命、耐高溫等優(yōu)異特性，是目前綜合性能最好的非易失存儲器之一。特別是，該存儲器還由于鐵電隧穿層中疇的可連續翻轉特性能實(shí)現電阻的連續調節，而且這一憶阻特性可用于構建超快的人工突觸器件，從而用于開(kāi)發(fā)超快人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )存算一體系統。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的模擬結果表明，利用該鐵電隧道結憶阻器構建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可用于識別MNIST手寫(xiě)數字，準確率可達90%以上。

　　中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和物理學(xué)院教授李曉光和殷月偉為論文通訊作者。博士生馬超、羅振為論文共同第一作者。

　　該項研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科大“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。