清华教授研发忆阻器芯片，可实现存储数据“原地”计算

当下，飞速进步的技术给芯片的算力要求带来巨大挑战，“算力焦虑”也成为悬在业界头上的一把剑。而随着摩尔定律逐渐失效，通过增加更多晶体管来提升算力的方法，也很难适应新形势。

要想破局就得有“全新的计算器件、计算范式、和计算架构”。近期，清华大学吴华强团队在《自然》刊文报告了其团队基于多忆阻器（Memristor）阵列的存算一体硬件实现。

图 | 吴华强（来源：受访者）

不同于利用 CPU、GPU 进行 AI 计算的传统方式，他们的忆阻器芯片能在不降低神经网络准确度的前提下，大幅提升算力、同时还可显著降低功耗，“算力焦虑”的一剂良药由此诞生。

而这项成果要从似乎没有 “技术感” 的在家办公说起，疫情以来在家办公开始流行起来。这种工作方式既能省去通勤时间，还能降低体力消耗。而这一现象启发了吴华强的研究。

他说，假如居家时间是存储，上班时间就是计算。只要去公司办公，路上肯定会消耗时间和能量，遇到交通拥堵，路上耗时会更久。

而当居家和办公融为一体，即在家办公时，时间和体力都会被节约。这和计算机中的“存储-计算”非常相似。如果存储和计算能合二为一，就可用小功耗实现大算力。

图 | 吴华强团队开发的 8 个包含 2048 个忆阻器的阵列芯片，可大幅提升进行人工智能计算的算力并显著降低功耗（图片来源：Nature）

有着“特异功能”的芯片

忆阻器，是一种与传统晶体管芯片截然不同的全新芯片概念。早在 30 年前，加州大学伯克利分校教授蔡少棠预测，除了电阻、电容、电感之外，理论上还应存在第四种基本电路元件，该元件可直接将电荷量与磁通量两个物理量连接起来，这便是忆阻器概念的雏形。

作为一种被动电子元件，忆阻器除了能让一定的电流安全通过，还可在断电后“记住”器件之前的电阻值，因此它最初只被当成存储器来研究。

吴华强回忆称：“当时，存储器行业的发展遇到了一些瓶颈，急需新兴技术打破僵局。阻变存储器或者说忆阻器就是其中很重要的一项新兴技术。”

而忆阻器也有很多存储优点：比如尺寸小、速度快、低功耗、与 CMOS（互补式金氧半导体）工艺可兼容等。

此外，忆阻器还拥有另一项特殊功能：能在存储数据“原地”实现计算。通常来说，基于传统“冯·诺依曼结构”搭建的计算机，其数据的存储和运算是分开的，平时数据存储在储存器中，需要运算时再把它搬运到运算器里。

然而，AI 类应用需要对大量数据进行矩阵运算，其核心是乘法和加法。对此，吴华强评价称：“目前 CMOS 芯片做大规模矩阵运算的乘加，算力是比较吃紧的，面临着很大挑战。”

此前，华为创始人任正非曾表示，未来的边缘计算是存算一体的，要么把 CPU 做到存储器，要么把存储器做到 CPU 里，这样才能加快计算速度。而在吴华强看来，基于忆阻器的存算一体，正是上述概念的一种实现。

具体来说，如果用交叉阵列的方式做忆阻器，就可获得一种与矩阵很类似的结构，这种结构既可以存数据，也可以做计算。

需要存储时，忆阻器本身就是存储器；而需要运算时，也无需把数据从存储器中搬到运算器里，因为忆阻器可直接用欧姆定律来做乘法运算。

前面提到，缓解“算力焦虑”需要全新的计算器件、范式和架构。而忆阻器正是这种新趋势的器件代表。

而在忆阻器件上用物理定律来直接做乘法计算和加法计算的方式，也和过去利用与非门做布尔逻辑计算的方法很不一样。

因此，忆阻器可以解决信息科学、尤其是集成电路领域里面的一些核心的问题。这也成为吴华强一直坚持深耕该领域的原因。在 AMD 时，他就投身于忆阻器方面的研究工作，这项工作得以在清华延续，并最终打造出一支优秀团队。

实验资源不足，没有条件就创造条件

回望这一路，他都在和电子器件打交道。2000 年，吴华强本科毕业于清华大学材料科学与工程系，2005 年博士毕业于美国康奈尔大学电子与计算机工程学院。

随后，他分别在美国 AMD 公司和飞索半导体公司非易失性存储器研发中心担任高级研究员。

这段业界经历也让他逐渐意识到，相比在企业做市场化产品，他更想从事创新性的的研究工作，因此萌生了回国做科研的想法。2009 年，刚过而立之年的吴华强，回到清华任教。

回顾过往，吴华强总结称：“回到祖国，作为一个科研工作者，和大家一起拼搏，特别开心。我们国家现在发展的势头非常好，国家高度重视科技创新，对于人才的重视，我想是远超过其他国家的。

然而，回国第一年，系里做实验的设备不足，吴华强始终处于找不到资源做实验的状态。

为此，在回清华的头一年半，在正常教学之外，他把八九成时间都花在平台搭建上，在系里面的支持下，对原来系里相对陈旧、落后的实验平台进行了全面的改造和升级。建成后，这也是清华 7x24 小时开放的校级共享实验平台，并成为国家发改委的双创平台和国家集成电路产教融合创新平台。

如今，该平台包含设计、加工和测试三大块，累计拥有 200 多套设备，能够支撑芯片研究。

图 | 建成后的清华大学微纳电子技术支撑平台

此前，由于设备不全并且经常出故障，学生们做一个实验有时得花费数月。而现在，即使校内 20 多个院系和校外团队共同使用该平台，一般也能在一周内完成实验。

对于获得的成果，吴华强说：“我经常‘白加黑、五加二’连轴转却从来不觉得累，偶尔会被质疑但却从未想过放弃，就是因为现在的学术和工作是我真正感兴趣，这是我愿意无限投入进去的事情，这会让我从中感受到快乐。”

忆阻器产品已进行产业化

而让他没有想到的是，兜兜转转之后，他再次和产业打上交道。

2018 年 6 月份，吴华强团队孵化出由清华控股的创业公司——北京新忆科技，专注于将忆阻器进行产业化。

经过两年的努力，他们已经实现 40nm 的工艺，并开发出了相关存储芯片，也已获得物联网和汽车等领域的订单。

目前，他们正在设计一个更大规模、功能更多样化的忆阻器阵列芯片，这款新型芯片的设计已经接近完成，接下来将进行流片和相关测试。一旦问世，将会实现更贴近需求、也更加复杂的实际应用。

在 2019 年的某次会议上，吴华强曾和英特尔 Loihi 神经形态计算芯片的负责人 “打赌”，看将来到底谁的芯片应用得更好。

图 | 忆阻器储存芯片（图片来源：新忆科技）

谈及发展前景，吴华强认为，过去的计算范式已经使用几十年了。在面临严重算力挑战的今天，忆阻器很有可能提供出一种全新的计算范式。

他说：“如果说没有摩尔定律变缓、人工智能算力需求增加这些挑战，可能新的计算范式也不可能进来，我觉得现在是一个好的机会。”

未来的手机、超高清电视、无人系统、数据中心，都将有望用上这种芯片，它能加速处理 AI 应用，给用户带来更好的体验。

图 | 忆阻器芯片在物联网等很多领域有着很好的应用场景（来源：MIT Technology Review）

而在更前沿的应用方向上，吴华强团队的忆阻器也在发力。在脑机接口领域，他们在使用忆阻器进行信号的处理。通过探针等方式得到的脑电波信号是一种模拟信号，过去，我们需要把模拟信号处理成数字信号，再进行解码计算。

而忆阻器本身就是用模拟信号的方式进行存储的，用来处理模拟信号天然拥有更块的计算速度和更低的能耗。更低的能耗意味着，未来使用忆阻器的脑机接口，将可能不需要外接电源，这将极大地提升脑机接口系统的使用便利性。

未来，在纯电计算之外，吴华强还把研究目光投向了同样利用物理原理进行计算的光电计算，以及 “感知、存储、计算” 一体的系统优化和硬件匹配。

“算力焦虑” 正在、并将在接下来的一段时间内继续陪伴着我们的存在。但以忆阻器芯片、光电计算等为代表的一系列新技术，正试图利用硬件层面的革新，把人工智能技术带去更远的未来。

全球存储芯片市场规模将达2196亿美元！你掏钱人家还未必卖你

在半导体行业中，存储芯片行业一直以来都是由三星、东芝、西部数据、美光、SK海力士霸占着几乎所有的市场份额。据研究机构数据分析，2023年，全球存储芯片市场的规模，预计将达到2196亿美元，较之前预估的2022年增加392亿美元，同比增长将会达到21.7%。

而同样还有另外一份数据让人揪心，有数据统计，中国存储器的消耗量占全球总消耗量的50%以上，但是国产厂商的存储产品则屈指可数。换句话说，就是2000多亿美元的存储芯片购买费用，我们要贡献一半以上，然而有时候，你掏钱人家还未必卖你。尤其是受疫情影响的这几年，在产能都受到限制的情况下，人家不光不卖你，还要坐地起价，可谓是被人拿捏得死死的。

长江存储

2006年4月，为了促进芯片产业的发展，湖北省政府和武汉市政府共同投资成立了武汉新芯，成立之初由中芯国际代管，计划做DRAM芯片。可中芯国际当时正处于和台积电的专利官司期间，一时间武汉新芯的产业发展进入滞后状态。

成立时的武汉新芯当时是想做DRAM的，但公司成立不久遭遇了DRAM的价格低谷周期，而不得不放弃DRAM的生产。于是，武汉新芯2008年9月开始为美国Spansion（飞索半导体）生产NAND Flash闪存，那个时候武汉新芯的技术水平还在65nm这个阶段。

好景不长，飞索半导体遭遇经济危机之后业绩一路下滑，武汉新芯在2010年订单量急剧下降，而不得不寻求出售。而当时，台积电、美国镁光、豪威都成为潜在合资对象，但由于国内业界的呼吁及武汉市对自主创新的坚持，最终放弃了合资计划。

当然合资未果还是带来了机会，那就是美国豪威的图像传感器（豪威，索尼和三星是手机摄像头的图像传感器芯片的高端三巨头）开始找武汉新芯生产制造，但新芯公司仍处于艰难地步。

于是2011年，中芯国际投资10亿美元最终控股武汉新芯。

但2011年，中芯国际的营收只有13.2亿美元，净利润为大幅亏损2.47亿美元，分别同比大幅下滑。因此，中芯国际的10亿美元注资计划实际上最后没有完成。最后，2013年，中芯国际退出了武汉新芯。

武汉新芯命运转机还是来自于2014年11月成立的国家集成电路大基金，这个基金推动中国先进集成电路产业发展。

2016年3月武汉新芯宣布，将投资240亿美元在武汉打造一个世界级的半导体存储企业，集中精力研究生产NANDFLASH和DRAM。项目分三个阶段部署，第一家工厂专注NAND闪存生产，第二家工厂专注DRAM芯片生产，第三个阶段的设施将专为供应商服务。请注意，第一家工厂是做NAND FLASH的，正是长江存储是优先量产NAND FLASH产品。

2014年10月3D NAND闪存项目正式启动。

2015年6月 9层3D NAND闪存测试芯片通过电气性能验证。

2016年7月 32层3D NAND 闪存测试芯片设计完成。

初登场：从零起步

所谓那里有压迫，那里就有反抗，在存储芯片极度依赖国外厂商的时候，2016年7月，紫光集团参与进来，各方在武汉新芯公司的基础上成立了长江存储公司并控股武汉新芯。

2016年7月，长江存储科技有限责任公司（“长江存储”）于武汉正式成立，长江存储是一家专注于3D NAND闪存芯片设计、生产和销售的IDM存储器公司，其产品广泛应用于移动设备、计算机、数据中心和消费电子产品等领域。

2017年1月，紫光集团进一步宣布投资300亿美元(约2000亿人民币)，在江苏南京投资建设半导体存储基地，一期投资100亿美元，建成月产能10万片，主要是生产3D NAND FLASH(闪存)、DRAM存储芯片。而在2017年长江存储才研发出第一代32层的MLC产品，其实当时是严重落后于三星、SK海力士、美光等厂商的，毕竟这些厂商已经有几十年的历史，长江存储是完全从0开始。

崭露头角：技术提升

技术方面，长江存储面临的是和中芯国际一样的问题，就是先进技术决定着未来。为了获取技术，长江存储的前身武汉新芯曾和飞索半导体进行联合研发NANDFLASH，但飞索半导体现在已经被美国Cypress公司收购，成为全球NOR FLASH领域的领头公司。但是不管是飞索半导体，还是Cypress，都不是NAND FLASH领域的先进厂家，这个市场是被三星，海力士，美光，东芝四巨头把持的。所以飞索半导体自身的NAND FLASH技术实力，还是无法和国际四大厂相比的。长江存储深知飞索半导体的技术实力不够，所以，长江存储除了和飞索半导体合作，主要是和国家队的中科院微电子研究所搞共同研发。

2017年2月，中科院微电子所发布的消息显示，双方共同研发的国产32层3D NAND FLASH芯片取得突破性进展。而2017年，三星实现96层NAND的量产。可以说，在2017年之前，长江存储成长速度虽然快，但还是跟在三星屁股后面的弟弟。不过到2018年时，长江存储搞了个弯道超车的机会， 那就是推出了Xtacking技术，这个技术相当于一种3D技术，能够在同样的芯片面积内，塞进更多的晶体管，从而提高NAND闪存的容量等。

2018年8月7日，在美国加州圣克拉拉召开的闪存峰会上，长江存储发布了Xtacking技术，在闪存技术架构上成功实现突破性创新。传统的3DNAND芯片，通常是在同一片晶圆上，把存储单元和逻辑电路一并加工出来。随着层级不断叠加，外围逻辑电路的面积会越来越大，到更高层时，存储密度会大幅降低。Xtacking架构，则会将存储单元和逻辑电路在两片晶圆上分别加工，并各自选择最先进的制造工艺，用数百万根金属通道把两者“接通”。这样做的好处是，不但研发周期缩短三个月、生产周期缩短20%，闪存的最高存取速度更将大幅提升至DDR4内存的水平。而Xtacking架构的64层3DNANDFlash闪存，其存储密度能与其他厂商96层的相差无几。这意味着，长江在存储芯片领域已经闯出属于自己的道理，具有一定的竞争力。

开疆拓土：市场占有率稳步提升

2019年，长江存储推出了64层TLC技术。然而弯道超车在一次上演，转折发生在2020年，你三星不是量产了96层NAND吗，长江存储偏不不按照你的套路走，直接跳过96层，直奔128层！这个大胆的决定，还真被长江存储给搞成了。2020年4月13日成功研发128层QLC 3D nand。

2020年10月26日，全新的长江存储·致钛PC005 Active 1TB版本在京东开启预售，并于2020年11月1日正式开放。2020年底，长江存储128层NAND开始量产 ，与三星等国外大厂已经没有代差，达到了世界前沿水平！这就是中国速度！

到2021年时，长江存储的128层堆叠的TLC产品全面量产，并获得了大量SSD厂商的支持，推出了相关的产品，比如海康威视、紫光、阿斯加特等等厂商。

而从测试的结果来看，使用长江存储128层堆叠产品的SSD产品，毫不逊色于三星、SK海力士等同样128层TCL的产品，性能水平基本一致。甚至连Techinsights的评测专家都表示，长江存储的128层工艺在容量、位密度和I/O速度方面实现了行业领先的新标准。

2021年我国进口集成电路金额约为2.8万亿元，预计其中接近三分之一是存储芯片，也就是约9000多亿元。一旦长江存储能够顶上来，市场份额迅速扩大，想必接下来国内的存储芯片进口，会大大地减少了吧。

而通过长江存储，也可以证明，只要肯干，所谓的落后、起步晚都不是借口，在芯片领域中国企业一样可以追上全球巨头。

近日，知名半导体分析机构Trendforce发布了一份数据，表示在2021年，长江存储的闪存产品在全球的份额大约为4%左右。而到2022年，预计能够达到7%左右。

结束语

虽然我国的半导体行业还有很长的路要走，但至少已经有人已经在出发的路上了不是吗，至少在内存颗粒和闪存颗粒上，多一些长江存储这样的企业，对中国半导体行业和对中国消费者都是好事儿。

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