新加坡南洋理工大學、德國亞琛工業大學和尤利希研究中心的科學家團隊找到了一種方法讓記憶芯片執行傳統上由處理器完成的計算任務。這意味著存儲芯片能在存儲數據的同一位置處理數據，將有助于創造出更小更快更薄的移動設備和計算機，通過減少處理器而節省空間。

新的計算電路使用了SanDisk和松下等公司研發的電阻式隨機存取內存（ReRAM）芯片，研究顯示ReRAM芯片不僅可以儲存數據，還可以處理數據。研究報告發表在《Scientific Reports》期刊上。

什么是ReRAM？

ReRAM（可變電阻式存儲器），將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結合于一身。換句話說，關閉電源后存儲器仍能記住數據。如果ReRAM有足夠大的空間，一臺配備ReRAM的PC將不需要載入時間。

ReRAM一直被認為是未來閃存的替代方案，能在單塊芯片上存儲1T數據，存取速率比閃存快20倍。典型的ReRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。選用材料的不同會對實際作用機制帶來較大差別，但本質都是經由外部刺激（如電壓）引起存儲介質離子運動和局部結構變化，進而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來存儲數據。

一個典型的ReRAM單元具有一個轉換材料，它具有不同的電阻特性，并且被夾在兩個金屬電極之間。ReRAM的轉換效應是基于在電場或者高溫的影響下產生的離子運動以及轉換材料存儲離子分布的能力而實現的，從而引發設備電阻的可度量變化。

有很多不同的方法來實現ReRAM，它們采用不同的轉換材料和內存單元組織結構。不同的材料所具有的不同變量可以導致顯著的性能差異。ReRAM技術最常見的挑戰在于熱敏度、與標準CMOS技術和制造工藝的整合、以及每一個ReRAM單元的選擇機制。

ReRAM內存的性能和比特/尺寸密度取決于內存單元的內聯方式。嵌入式低延滯、高速內存可以通過用一個晶體管對每一個內存單元進行單獨控制來實現。在1T1R（每1個ReRAM單元有一個晶體管）的陣列組織結構中，內存的總體積由晶體管的體積所決定。高密度存儲級內存要求一個密度高得多的內存陣列組織結構來實現成本效益，這就要求能夠用一個單一的晶體管來連接成千上萬的內存單元。這種1TnR組織結構只有當ReRAM單元具有某種內建的選擇機制，可以單獨地、或者不指定地選擇ReRAM單元時才有可能實現。

ReRam通過改變cell的電阻來存儲數據。目前有各種各樣ReRam技術正在開發之中，包括相變內存(PCM)和惠普Memristor技術。

隨著更多細節的透露，我們期待這個行業將形成良性競爭態勢。

ReRAM的優點

雖然有不同的規格,但是所有ReRAM都具有當前NAND閃存擁有的主要優點：

速度  ReRAM寫速度更快——以納秒為單位而不是毫秒——使它更好適應于高性能應用。

耐用性  最常見的MLC閃存只能處理10000次寫操作，而ReRAM卻可以處理數百萬個。

功率  研究人員已經證明微安培寫入功率并期望很快將進一步降低到納安范圍，這使得ReRAM比NAND閃存能效更高。

在可預見的未來，NAND閃存將保留在成本和密度上的優勢,這意味著它仍將在未來幾十年存活下去。那么ReRAM在存儲層中的定位是?

數據完整性  丟失一個快照是沒有什么大不了的。丟失你的支票帳戶存款就不一樣了。關鍵任務應用更喜歡ReRAM，而且關鍵是買得起。

性能  固態盤這種高速存儲介質消除了復雜性并提高了性能。

移動性  網絡寬帶和內存容量之間進行著一場永無止境的拉鋸戰，在這種情況下，消費者可能會喜歡上他們移動設備的大容量存儲。如果是這樣, ReRAM節能的優點將在高端產品有所體現。

東芝憑借其類似于今天1.5萬轉硬盤的固態硬盤，開始涉足這些高端市場。這可能不是一個巨大的市場，但是其高利潤率還是值得一試的。

其他廠商，包括松下、美光和三星，也正在致力于ReRAM的研發。另外一個有趣的問題是：在系統中ReRAM多大程度上能替代高速DRAM？

三進制的ReRAM提供處理能力

目前，市場上所有的計算機處理器，都使用了二進制系統，即數據由兩種狀態組成，0或者1，例如字母B，在計算機內就存儲為「01000010」的形式。

數字1到27，三進制（第一行）、二進制（第二行）、十進制（第三行）數字對照表。

然而，ReRAM 電路所表示的數據狀態，并不是0和1兩種，它可以存儲和處理數碼有：0、1、2，即「三進制數字系統」，從而可以存儲更多的數據狀態。

原因就是，ReRAM使用不同的電阻來存儲信息，從原理上來說，可以突破現有二進制系統的限制，顯著提升計算任務的處理速度。

來自南洋理工大學的計算科學和工程系助理教授Chattopadhyay 是該存儲器三進制系統的主要設計者。他認為在目前的計算機系統，所有的信息在計算處理前，必須以一連串的0或者1的數據形式存儲。所以，他解釋道：

「這好比使用小型翻譯器和某人進行長篇對話，這會是一個耗時耗力的過程。我們現在增加這個小型翻譯器的容量，使它可以更加有效地處理數據。」

目前，移動設備和電腦，都是沿用傳統的體系結構，從內存中獲取數據，然后傳輸到處理器單元，再進行計算。

然而，南洋理工大學設計的這種具有計算功能的存儲器，無需在處理器和存儲器之間進行數據傳輸，不僅節省了時間，而且降低了能耗。

由于現在計算機軟體正在變得越來越復雜，數據中心需要處理比以往更大量的數據。所以，對于全球產業來講，尋找更加快速高效的計算處理，是目前最迫切的需求之一。而能實現計算的ReRAM就有七天然優勢。

相比當前的計算機和移動設備中的處理器速度，該存儲器設備的速度可提高達兩倍或者兩倍以上。存儲器晶元能夠完成計算任務，就無需處理器對于數據的處理，這樣不僅速度會加快，而且空間上可以節省不少，讓電子設備變得更小和更輕。

研究人員認為，因為ReRAM 接近商用和上市，所以使用ReRAM進行計算，會比其他即將到來的計算技術成本更低。

Waser 教授解釋道：

「ReRAM，目前是一種通用非易失存儲器的概念。這些設備能耗低、速度快，體積可以壓縮的更小。它們不僅可用于數據存儲，也可以用于計算，為在信息技術中更加有效的利用能源，開辟了一條全新的途徑。」

ReRAM性能卓越，它不僅具有長期的存儲容量、低能耗，也可以進行納米級制造。很多半導體公司，紛紛被吸引，投資研發這項技術。同時，它也將對于革新消費電子和可穿戴產品的設計產生深遠的影響。

展望未來，這個研究團隊目前正在尋找行業合作伙伴，利用這項重要科學進展。

與此同時，研究人員也在進一步開發ReRAM，未來有望處理比三進制更多的狀態，更大幅度地提高計算機計算速度。

另外，他們也希望在實際的計算場景中測試這項技術的性能。

延伸閱讀：Crossbar用ReRAM助力人工智能

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只有應用Crossbar ReRAM這樣新的存儲技術，才能夠發揮人工智能真實的潛能，實現速度、低功耗/高能效、存儲容量與可制造性的完美結合，使這個嶄新的世界成為現實。

當目標從簡單的代碼行的抓取，轉變成對從外部傳感器獲取的大量數據進行實時處理、分析、執行時，大數據到人工智能的根本轉變就來臨了。從傳感器來的數據可以存儲在芯片上，直接輸送給深度神經網絡，以便采取直接的行動。非易失性的存儲技術，比如Crossbar ReRAM存儲技術，通過低功耗、快速讀取、基于字節尋址的寫操作，來幫助應對性能與功耗的挑戰。

Crossbar ReRAM存儲技術能夠直接集成在芯片內部，產生一個新的以存儲為中心的片上系統架構。通過與處理器核集成在同一顆芯片中的片上系統方案，ReRAM充分地加速了深度神經網絡算法。ReRAM技術是一個重要的創新，它加速人工智能的潛能，實現多種應用，加速性能，極大地提高能效，實現更高級的安全性，減少芯片的數量和芯片的面積。

高性能計算，比如人工智能，需要在處理器、存儲與輸入輸出之間進行高帶寬、低時延的數據訪問。 Crossbar ReRAM存儲技術通過減少計算與存儲之間的性能差距，顯著地提升了高性能計算應用的性能。