神经元样忆阻器或可助力超高速6G无线通信

THE UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

下一代6G无线通信的梦想包括实现每秒数万亿比特的速度。现在，一项新的研究表明，由原子薄膜制成的神经元样器件可能成为即将到来的6G网络的关键开关。

当前一代无线通信5G于2020年开始推出。到2030年左右，6G的初步部署才可能实现，由于尚未制定标准，其可能采取的形式仍不确定。尽管如此，许多人仍设想6G的数据传输速率为每秒TB，以适用于自动驾驶汽车、增强现实和沉浸式临场感等应用。

据悉，升级6G的一个关键构建块或许是模拟交换机。这些常见的组件通过在接收数据时在网络和频率之间跳跃来帮助无线连接设备之间的通信。为了大幅降低整体能耗，研究人员正在探索非易失性存储设备作为替代模拟开关。这些包括神经元型忆阻器、二维原子晶体管、电阻式随机存取存储器（RRAM）和相变存储器（PCM）。

在这项新的研究中，研究人员将重点放在原子薄的二维材料上，这些材料原则上只需要很小的能量，有可能提高速度和电池寿命。研究人员此前开发了由二硫化钼制成的非易失性开关，工作频率高达50千兆赫，以及由六方氮化硼制成的开关，工作频率为100千兆赫。

现在，这些科学家已经用二硫化钼研制出非易失性模拟开关，其工作频率约为100至500 GHz，6G可能包括这一通信频段。

这种新器件将二硫化钼夹在两个金电极之间。这种金属-绝缘体-金属结构的行为类似于记忆电阻器，即记忆电阻器，这是科学家大约50年前预测的电子电路的一种构造块，但仅在十多年前才首次创建。这些组件本质上是开关，可以记住在电源关闭后是打开还是关闭它们。理论上，忆阻器可以像人工神经元一样，既能计算又能存储数据。

在实验中，新交换机可以在320 GHz的频率下以高达每秒100 GB的速率进行数据通信，具有低误码率和高信噪比。它还可以在300 GHz的频率下以1.5 Gb/s的速度传输实时高清电视，无需压缩。它可以在半纳秒内切换，能量只有50微微欧，比同类成熟设备低一个数量级以上。

“当我们第一次开始这项研究时，我们只能梦想这样的性能，能够在实际设备中真正实现这一应用是一个非常惊喜的结果，”研究合作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的电气工程师和材料科学家Deji Akinwande表示，“该应用程序为未来6G无线系统提供了非常清晰的节能通信组件。”

未来，研究人员的目标是将这些开关与硅芯片和电路集成。“二硫化钼是可晶圆扩展的，可以与硅CMOS集成，”Akinwande说，“因此，这种开关设备可以很容易地与现代半导体微芯片技术集成，从而使多种行业受益，造福社会。”

Akinwande说，“目前对该设备的主要批评是这些开关的可靠性，尤其是在耐久性方面。这确实是一个对实际应用至关重要的问题，我们正在努力解决这一问题。”

科学家们在5月30日的《自然电子学》杂志上详细介绍了他们的发现。