全新模拟存储，精度提升100倍

桑迪亚国家实验室诞生了一种全新计算思路，研究人员开发出一种信息存储方案，有望提升未来电子设备的能效。

电热化学随机存取存储器，简称ETCRAM，与传统数字存储器的工作机制截然不同。传统存储器在硅晶圆上用1和0来表征信息。而ETCRAM不再局限于两种状态，它借助局部加热与电脉冲改变器件内部材料特性，能够存储一系列模拟量。

该研究团队由桑迪亚实验室的Elliot Fuller与Alec Talin牵头，使用钽和氧化钒材料完成了技术验证。这款存储技术的信息存储精度与动态范围，远超现有的模拟存储技术。该器件可以维持大量不同的模拟状态，而不是简单在0和1之间切换，因此研究人员正在探索利用它以更低功耗完成部分计算任务。

“我们开发这项技术，就是为了突破现有计算技术的局限，切实提升能效。”Fuller表示，“ETCRAM的精度达到当前顶尖技术的100倍，动态范围更是高出至少三个数量级。这正是模拟存储数字的价值所在。”

电热化学随机存取存储芯片，精度可达现有顶尖技术的100倍。

借鉴电池原理的存储模型

随着计算所需能耗持续攀升，这项技术的应用潜力对美国而言意义重大。美国能源信息署预测，在高需求情景下，到2050年，数据中心的年耗电量或将达到约8000亿千瓦时。

理解ETCRAM最简单的方式，不妨参考电池的工作原理。“可以把ETCRAM理解成一款存储器件。”Talin解释道，“你可以把电池充到一半就停止充电，直接使用这部分电量。电池的这个状态就相当于一条记忆，它可以把这个状态保存下来。”

团队的研究基础来自电池材料已被探明的各类特性。但适合储能的材料，未必适合存储信息。例如锂离子，它很适合储能，却并不匹配桑迪亚团队追求的数据存储需求。

“我们希望在有限体积内实现最高的信息存储密度。”Fuller说，“电化学体系的一大痛点往往是反应速度慢。这款存储单元的解决诀窍是自加热：电化学工作时器件自身会升温，正是这一特性，带来了极大的动态范围与很高的精度。”

将计算向传感器端迁移

这种自加热效应，能够加快存储器编程所依靠的电化学反应速度。团队同时在研究这项技术如何赋能边缘计算：数据不用全部回传给中央处理器或者远端计算系统，就在采集源头就近完成处理。

举个例子，智能手机的摄像头：传感器采集光线之后，手机会通过专用硬件在本地完成大部分图像处理，之后才输出最终图像。在近传感器 / 边缘计算模式下，更多处理工作乃至高阶分析，可以进一步迁移到传感器周边，甚至直接在传感器芯片内部完成模拟或者混合信号运算，从而减少需要向外传输的原始数据量。

在数据采集端完成更多计算，能够同时提升速度与能效，尤其当下各类传感器已经大量出现在各类消费设备中。“我们身处21世纪，电子设备无处不在。” 博士后研究员Adam Gross说道，“早上醒来，闹钟或者手机上面就有光传感器、声音传感器；现代汽车搭载一整套传感器。现代生活到处都是传感器，而我们这款器件有机会在这些场景发挥价值。”

对于Fuller、Talin以及团队其他成员来说，这项研究的终极目标，是找到新方案，让性能越来越强的电子设备处理更多信息，却不用同步消耗更多能量。ETCRAM正是他们寄以厚望的一条路径，希望把更多计算能力下沉到已经融入日常生活的各类传感器与终端设备上。