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Resistive switching materials for information processing

神经形态工程学 冯·诺依曼建筑 信息处理 高效能源利用 晶体管 瓶颈 计算机科学 分布式计算 电子工程 嵌入式系统 电气工程 工程类 电压 机器学习 操作系统 神经科学 生物 人工神经网络
作者
Zhongrui Wang,Huaqiang Wu,Geoffrey W. Burr,Cheol Seong Hwang,Kang L. Wang,Qiangfei Xia,J. Joshua Yang
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Nature Portfolio]
卷期号:5 (3): 173-195 被引量:960
标识
DOI:10.1038/s41578-019-0159-3
摘要

The rapid increase in information in the big-data era calls for changes to information-processing paradigms, which, in turn, demand new circuit-building blocks to overcome the decreasing cost-effectiveness of transistor scaling and the intrinsic inefficiency of using transistors in non-von Neumann computing architectures. Accordingly, resistive switching materials (RSMs) based on different physical principles have emerged for memories that could enable energy-efficient and area-efficient in-memory computing. In this Review, we survey the four physical mechanisms that lead to such resistive switching: redox reactions, phase transitions, spin-polarized tunnelling and ferroelectric polarization. We discuss how these mechanisms equip RSMs with desirable properties for representation capability, switching speed and energy, reliability and device density. These properties are the key enablers of processing-in-memory platforms, with applications ranging from neuromorphic computing and general-purpose memcomputing to cybersecurity. Finally, we examine the device requirements for such systems based on RSMs and provide suggestions to address challenges in materials engineering, device optimization, system integration and algorithm design. Resistive switching materials enable novel, in-memory information processing, which may resolve the von Neumann bottleneck. This Review focuses on how the switching mechanisms and the resultant electrical properties lead to various computing applications.
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