隨著摩爾定律的失效，基于半導體集成電路的信息技術已逐步逼近物理極限，后摩爾時代的信息技術亟待全新的范式和原理。現代計算機自問世以來一直采用馮?諾依曼結構，即運算器與存儲器分離，這種結構使得運算器與存儲器之間的數據傳輸成為影響系統性能的瓶頸（稱為馮?諾依曼瓶頸），大大限制了計算機性能的提高；同時，由于現代計算機中的運算器和主存儲器（如DRAM）都是易失性器件，不僅在斷電后信息立即消失，而且具有較高的能耗。因此，開發新型非易性器件，采用非馮?諾依曼結構，實現運算器和存儲器合二為一（logic in memory），是未來發展高性能、低功耗、即開即用型計算機要解決的關鍵問題。當前，憶阻器（memristor）作為一種非易失性器件，由于同時具有信息存儲和邏輯運算功能，有望在未來替代半導體晶體管，受到了學術界和工業界的廣泛關注。

圖1. 憶耦器的結構和原理示意圖。通過施加電壓改變磁電耦合系數的狀態來寫入信息，通過施加磁場來并行讀取信息。

近期，中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室孫陽研究員、尚大山副研究員和柴一晟副研究員等提出了另一種非易失性器件—憶耦器（memtranstor），并在單個憶耦器上分別實現了兩態存儲、多態存儲和布爾邏輯運算。憶耦器是一種基于非線性磁電耦合效應的記憶元件，源于第四種基本電路元件電耦器（transtor）。憶耦器的基本特征是其表現出非線性電荷-磁通回滯曲線。與憶阻器采用電阻（R = dv/di）的狀態存儲信息不同，憶耦器采用電耦（T = dq/dφ?，或者等效于磁電耦合系數 α= dE/dH）的狀態來存儲信息。憶耦器的信息處理原理采用電寫磁讀，具有高速度、高密度、低功耗、并行讀取、結構簡單、易于制備等優點。

圖2. 基于憶耦器實現非易失性多態存儲器。

孫陽研究組的研究生申見昕、叢君狀和申世鵬等分別基于多種磁電耦合介質制備了幾種憶耦器。他們首先在Ag/PMN-PT/Terfenol-D/Ag憶耦器中實現了室溫下兩態信息存儲，第一次演示了憶耦器作為新型非易失性存儲器的功能 ［以Letter形式發表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 （2016）］。在此基礎上，他們又在該憶耦器中實現了多態（4態和8態）存儲。常規存儲器每個存儲單元只能存儲2種狀態（0， 1），而多態存儲器在每個存儲位上可以存儲2n個狀態，因而具有更高的存儲密度。與電阻型多態存儲器相比，由于電耦值可以從正到負分布，因而憶耦器具有更高的存儲密度和容錯度。此后，他們采用簡單金屬Ni來替代復雜貴重合金Terfenol-D （Tb0.28Dy0.72Fe1.95），制備了Ni/PMN-PT/Ni憶耦器，實現了非易失性兩態和多態存儲器。更為重要的是，他們基于單個Ni/PMN-PT/Ni憶耦器實現了非易失性通用邏輯門NOR和NAND。這一成果表明憶耦器與憶阻器類似，可以兼有信息存儲和布爾邏輯運算的功能，因而有望用于實現非馮?諾依曼結構的下一代計算機。此外，研究生魯佩佩等基于有機鐵電體制備出Cu/P（VDF-TrFE）/Metglas和Cu/P（VDF-TrFE）/Ni有機憶耦器，并成功實現了非易失性多態信息存儲。有機憶耦器有望在未來用于柔性可穿戴電子器件。

圖3. 基于憶耦器實現非易失性邏輯門NOR

這些系列研究進展表明，憶耦器在開發下一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。與目前人們廣泛關注的憶阻器相比，憶耦器具有更低功耗和并行信息處理等優點。以上研究成果分別發表于Phys. Rev. Applied 6， 021001 （2016）；Phys. Rev. Applied 6， 064028 （2016）；Sci. Rep. 6， 34473 （2016）；Appl. Phys. Lett. 109， 252902 （2016）。在2016年11月于美國新奧爾良舉行的第61屆國際磁學與磁性材料大會（MMM）上，孫陽研究組關于憶耦器的工作被評為大會最佳張貼報告獎（Best Poster Award），是中國地區（包括臺灣、香港和澳門）唯一獲得該獎項的工作。

圖4. 基于憶耦器實現非易失性邏輯門NAND。

該研究獲得了國家自然科學基金、科技部和中國科學院項目的支持。

相關文章鏈接：

1. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.021001

2. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.064028

3. http://www.nature.com/articles/srep34473

4. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4972304