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储能系统技术 储能系统 多电平 ★ 5.0

用于高密度、高能效存内计算的多级编程三维垂直阻变存储器

3-D Vertical Resistive Switching Random Access Memory (3D-VRRAM) With Multilevel Programming for High-Density, Energy-Efficient In-Memory Computing

作者 D. Bridarolli · C. Zucchelli · P. Mannocci · S. Ricci · M. Farronato · G. Pedretti
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 阻变随机存取存储器 内存计算 3D垂直阻变随机存取存储器 矩阵向量乘法 边缘计算
语言:

中文摘要

电阻式随机存取存储器(RRAM)器件为内存计算(IMC)应用展现出一系列引人注目的特性,如非易失性存储、低读取电流和高可扩展性。内存计算能够克服数据密集型工作负载(如边缘端深度学习)的内存瓶颈。在此背景下,3D 垂直 RRAM(3D - VRRAM)是一种有望以低成本实现高存储单元容量的方案。在本研究中,我们展示了一种基于 HfOx 的 3D - VRRAM 交叉开关阵列(CBA),其具备精确多级编程的内存计算能力。我们通过在 3D - VRRAM 上进行内存计算,对矩阵向量乘法(MVM)以及逆矩阵/伪逆矩阵计算进行了广泛的实验验证。为进一步支持现实场景中的并行内存计算应用,本研究还展示了采用基于 2D - RRAM 和静态随机存取存储器(SRAM)的存储阵列解决相对大规模问题的实例。这些结果表明,3D - VRRAM 适用于边缘计算应用中的高密度、高能效内存计算。

English Abstract

Resistive random access memory (RRAM) devices offer a broad range of attractive properties for in-memory computing (IMC) applications, such as nonvolatile storage, low read current, and high scalability. IMC allows to overcome the memory bottleneck of data-intensive workloads, such as deep learning on the edge. In this context, 3-D vertical RRAM (3D-VRRAM) is a promising option to achieve high memory cell capacity with low fabrication cost. In this work, we present an HfOx-based 3D-VRRAM crossbar array (CBA) capable of IMC with precise multilevel programming. We show an extensive experimental demonstration of both matrix-vector multiplication (MVM) and inverse/pseudoinverse matrix calculation via IMC on 3D-VRRAM. To further support the parallel IMC application in real-life scenarios, the work also reports a demonstration of relatively large-size problems adopting 2D-RRAM and SRAM-based memory arrays. These results support 3D-VRRAM for high-density, energy-efficient IMC for edge computing applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务场景来看,这项3D垂直阻变存储器(3D-VRRAM)技术在存内计算领域的突破,为我们在新能源智能化控制系统中的算力瓶颈提供了潜在解决方案。

在光伏逆变器和储能系统领域,实时功率预测、MPPT算法优化、电网调度响应等应用场景需要处理海量传感器数据并执行复杂的深度学习推理。传统冯·诺依曼架构在边缘计算场景下面临严重的"存储墙"问题,而该论文展示的基于HfOx材料的3D-VRRAM交叉阵列,通过存内矩阵-向量乘法运算,可显著降低数据搬运功耗,这与我们追求高效能源转换的核心理念高度契合。

该技术的多级编程能力和非易失性特性尤为关键。在分布式储能系统中,边缘控制器需要在断电情况下保持模型参数,同时支持本地AI推理以实现毫秒级响应。3D-VRRAM的高密度集成优势(通过垂直堆叠降低制造成本)也符合我们大规模部署边缘智能设备的经济性要求。

然而需要客观评估的是,该技术目前仍处于实验室验证阶段。论文虽展示了矩阵运算能力,但在工业级可靠性、温度适应性(光伏逆变器工作温度范围-40℃至70℃)、长期耐久性等方面缺乏数据支撑。此外,将RRAM集成到现有ASIC或FPGA控制平台的工艺兼容性也需深入评估。

建议阳光电源保持技术跟踪,可考虑在实验室环境下针对特定算法(如功率预测神经网络)进行概念验证,同时关注该技术在汽车电子等相似应用场景的成熟度演进,为未来3-5年的产品智能化升级储备技术路径。