黑科技：锂离子电池可以当硬盘用

　　如果说到锂离子电池与计算机有什么关系，那么小编最先想到的是锂离子为计算机提供电能，如果我说现在锂离子电池可以被用作计算机高精密电路中的一个重要的电子元器件，你会感到吃惊吗？是的，小编刚开始拿到这篇文章的时候，也是不敢相信自己的眼睛。锂离子电池作为一个看上去缺少技术含量的储能设备，居然可以用在电子计算机的高精密度电路之中，着实让人摸不着头脑。小编心里只有一句话相对锂离子电池说：你咋不上天呢？

　　近年来，随着计算机技术的快速发展，特别是人工神经网络技术的发展，对大规模信息存储的需求越来越强烈，但是传统的存储元器件，例如SRAM和DRAM在存储的过程中采用的为串行操作的逻辑架构，因此不仅导致存储的效率低，还大大增加了信息存储过程中的能耗。为了克服传统存储器的缺点，我们可敬的工程师们开发出了交叉存储器，该存储器显著的特点就是采用了并行操作的逻辑架构，提高了存储器的工作效率，降低了信息存储的能耗。

　　最近有报道显示，基于丝状金属氧化物忆阻器的交叉阵列结构的神经网络原型机，已经能够经过训练，进行简单的图形辨识和文件分类。但是这些存储器目前还存在诸多的局限性，影响了这些存储元器件的正确性和能耗效率等，首当其冲的就是严重的写入噪音，写入非线性和过高的开关电压和电流。

　　为了克服目前的交叉存储器的局限性，美国Sandia国家实验室的Elliot J．Fuller研发了一款基于锂离子电池结构的晶体管（LISTA），LISTA是一种全固态非挥发性的氧化还原的电阻开关晶体管，其作用机理是利用在加在LISTA两端的电压驱动锂离子在正负极之间嵌入和脱出，从而达到控制晶体管开关的目的。相比于其他类型的存储器，LISTA的固体电解质与导电通道之间的能量壁垒很低，Li＋在LiCoO2中的扩散的活化能只有0．25eV左右，Li＋在LiCoO2中扩散，小电流状态下，过电势最低只有5mV，在大电流下也只有100mV，因此仅需要很小的电压就可以控制其的开关状态。更为重要的是，在LISTA工作过程中不会像其他的存储器一样发生很大的相变，锂离子在LiCoO2中扩散仅会轻微的改变其晶体结构。因此相比于其他类型的存储器，LISTA具有低写入噪声，线性操作和低操作电压和电流等优点，可以极大的降低存储器功耗，非常适合应用在人工神经网络之中。

　　

　　LISTA 的结构如上图所示，在SiO2的基板上覆盖了一层Pt和漏电极，并与一层120nm厚的LiCoO2导电通路相连，中间是一层400nm厚的LPON固体电解质，另一侧的覆盖了一层20nm厚的Si栅电极，其工作原理是通过在栅电极上施加电压，驱动Li＋从导电通路经过固体电解质向栅电极迁移，从而控制导电通路中Li＋的浓度，在Li＋迁移出LiCoO2的过程中，LiCoO2完成了从绝缘体到金属导体的转变，达到控制导电通路导电性的目的。选用 LiCoO2的主要原因是其在固体电解质中稳定性好，并且具有良好的循环性能。LISTA的开关状态可以保持数周甚至是数月，虽然最终会由于自放电导致开关关闭，但是可以通过增加扩散势垒的方式得到很好的控制。实际上，目前的技术已经可以将LISTA的自放电率控制在＜3％／年的水平，而神经网络一般也不会要求存储时间达到10年，一般在存储网络中的信息每星期都会被重写，所以目前LISTA的性能已经能够满足现有的要求。读写测试表明，在10％的容量下，LISTA的使用周期可达100000次，基本满足人工神经网络的需求，并且通过提高正极的晶体度和降低厚度，可以进一步的提升LISTA的循环性能，而且在目前的存储元器件中LISTA具有最高的信噪比，非常适合应用在人工神经网络之中。

　　

　　Elliot J． Fuller的工作为人工神经网络所需求的低功耗、低噪音和高线性存储器的研发开创出了一条的新的思路，利用了Li＋在LiCoO2中扩撒壁垒低，活化能低的优势，开发出了具有极低功耗的高性能存储器LISTA，极大的提高了大规模信息存储的能耗效率，有助于人工神经网络的发展，也是锂离子电池为人类科技发展所作出的又一大贡献。

　　参考文献：

　　Li－Ion Synaptic Transistor forLow Power Analog Computing， Adv． Mater． 2016， Elliot J． Fuller， et． al