新型计算机存储器：与人脑突触类似，可大大降低能耗、提高性能

研究人员开发出一种新的计算机内存设计，可以大大提高性能并减少互联网和通信技术的能源需求，预计在未来十年内，互联网和通信技术将消耗全球近三分之一的电力。

由剑桥大学领导的研究人员开发了一种处理数据的设备，其方式与人脑中的突触类似。这种装置的基础是氧化铪，一种已经在半导体工业中使用的材料，以及微小的自组装屏障，可以升高或降低以允许电子通过。

我们这个对数据需求旺盛的世界导致了能源需求的激增，这使得减少碳排放变得更加困难。在未来几年内，人工智能、互联网使用、算法和其他数据驱动技术预计将消耗全球30%以上的电力。

剑桥大学治金系的第一作者Markus Hellenbrand博士说，“在很大程度上，能源需求的爆炸式增长是由于当前计算机存储技术的缺陷。在传统计算中，内存在一边，处理在另一边，数据在两者之间来回切换，这既耗费精力也耗费时间。”

一种潜在的解决低效计算机存储器问题的方法是一种被称为电阻开关存储器的新技术。传统的存储设备有两种状态:一或零。然而，功能性的电阻开关存储器能够实现连续的状态范围——基于这一原理的计算机存储器将具有更大的密度和速度。

Hellenbrand说:“例如，一个典型的基于连续范围的u盘可以存储10到100倍的信息。”

Helenbrand和同事开发了一种基于氧化铪的原型装置，氧化铪是一种已经在半导体工业中使用的绝缘材料。将这种材料用于电阻开关存储器应用的问题被称为均匀性问题。在原子水平上，氧化铪没有结构，铪和氧原子随机混合，使其难以用于存储应用。

然而，研究人员发现，通过将钡添加到氧化铪薄膜中，在复合材料中开始形成一些不同寻常的结构，垂直于氧化铪平面。

Hellenbrand说:“这允许材料中存在多种状态，不像传统的存储器只有两种状态。”

与其他需要昂贵的高温制造方法的复合材料不同，这些氧化铪复合材料在低温下自组装。该复合材料表现出高水平的性能和均匀性，使其在下一代存储器应用中具有很高的前景。

剑桥大学的商业化部门剑桥企业已经为这项技术申请了专利。

Hellenbrand说:“这些材料真正令人兴奋的是，它们可以像大脑中的突触一样工作:它们可以在同一个地方存储和处理信息，就像我们的大脑一样，这使得它们在快速发展的人工智能和机器学习领域颇有应用前景。”

研究人员现在正与工业界合作，对这种材料进行更大规模的可行性研究，以便更清楚地了解高性能结构是如何形成的。由于氧化铪是一种已经在半导体工业中使用的材料，研究人员说，将其集成到现有的制造工艺中并不困难。

这项研究得到了美国国家科学基金会和工程与物理科学研究委员会(EPSRC)的部分支持，EPSRC是英国研究与创新署(UKRI)的一部分。