journal article·2019-04

Emerging Memory Devices for Neuromorphic Computing

Navnidhi K. Upadhyay, Hao Jiang, Zhongrui Wang, Shiva Asapu, Qiangfei Xia, J. Joshua Yang

Advanced Materials Technologies· Volume 4· Issue 4
Publisher page

Abstract

Abstract A neuromorphic computing system may be able to learn and perform a task on its own by interacting with its surroundings. Combining such a chip with complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)‐based processors can potentially solve a variety of problems being faced by today's artificial intelligence (AI) systems. Although various architectures purely based on CMOS are designed to maximize the computing efficiency of AI‐based applications, the most fundamental operations including matrix multiplication and convolution heavily rely on the CMOS‐based multiply–accumulate units which are ultimately limited by the von Neumann bottleneck. Fortunately, many emerging memory devices can naturally perform vector matrix multiplication directly utilizing Ohm's law and Kirchhoff's law when an array of such devices is employed in a cross‐bar architecture. With certain dynamics, these devices can also be used either as synapses or neurons in a neuromorphic computing system. This paper discusses various emerging nanoscale electronic devices that can potentially reshape the computing paradigm in the near future.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advanced Memory and Neural Computing · Ferroelectric and Negative Capacitance Devices · Semiconductor materials and devices

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Electrical and Computer Engineering University of Massachusetts Amherst MA 01003 USA

Funding

Air Force Research Laboratory · Defense Advanced Research Projects Agency · Intelligence Advanced Research Projects Activity · National Science Foundation

References (83)

Show source-provided references
1. Neumann J. · IEEE Ann. History Comput. · 1993 · 15 · 2710.1109/85.238389 ↗
2. Moore G. E. · IEEE Solid‐State Circuits Newsl. · 2006 · 11 · 3310.1109/N-SSC.2006.4785860 ↗
3. Backus J. · Commun. ACM · 1978 · 21 · 51310.1145/359576.359579 ↗
4. Kandel E. R. · 2015
5. Upadhyay N. K. · Sci. China Inf. Sci. · 2016 · 1 · 1
6. Yang J. J. · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 42910.1038/nnano.2008.160 ↗
7. Wang Z. · Nat. Mater. · 2017 · 16 · 10110.1038/nmat4756 ↗
8. Burr G. W. · J. Vac. Sci. Technol., B: Nanotechnol. Microelectron.: Mater., Process., Meas., Phenom. · 2010 · 28 · 223
9. Kent A. D. · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 18710.1038/nnano.2015.24 ↗
10. Setter N. · J. Appl. Phys. · 2006 · 100 · 10990110.1063/1.2393042 ↗
11. Yang J. J. · Nat. Nanotechnol. · 2013 · 8 · 1310.1038/nnano.2012.240 ↗
12. Pi S. · J. Vac. Sci. Technol., B: Nanotechnol. Microelectron. Mater. Process. Meas. Phenom. · 2013 · 31 · 06FA0210.1116/1.4827021 ↗
13. Xia Q. · Nano Lett. · 2009 · 9 · 364010.1021/nl901874j ↗
14. Pickett M. D. · Nanotechnology · 2012 · 23 · 21520210.1088/0957-4484/23/21/215202 ↗
15. Jo S. H. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 129710.1021/nl904092h ↗
16. Sawa A. · Mater. Today · 2008 · 11 · 2810.1016/S1369-7021(08)70119-6 ↗
17. Choi B. J. · Adv. Funct. Mater. · 2016 · 26 · 529010.1002/adfm.201600680 ↗
18. Szot K. · Nat. Mater. · 2006 · 5 · 31210.1038/nmat1614 ↗
19. Terabe K. · Nature · 2005 · 433 · 4710.1038/nature03190 ↗
20. Scott J. C. · Adv. Mater. · 2007 · 19 · 145210.1002/adma.200602564 ↗
21. Waser R. · Adv. Mater. · 2009 · 21 · 263210.1002/adma.200900375 ↗
22. Hwang C. S. · Adv. Electron. Mater. · 2015 · 1 · 1
23. Yang Y. · Nat. Commun. · 2012 · 3 · 73210.1038/ncomms1737 ↗
24. Wedig A. · Nat. Nanotechnol. · 2016 · 11 · 6710.1038/nnano.2015.221 ↗
25. Jiang H. · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 110.1038/s41598-016-0001-8 ↗
26. Zhu X. · Adv. Mater. · 2017 · 29 · 170052710.1002/adma.201700527 ↗
27. Al‐Shedivat M. · IEEE J. Emerging Select. Top. Circuits Syst. · 2015 · 5 · 24210.1109/JETCAS.2015.2435512 ↗
28. Ohno T. · Nat. Mater. · 2011 · 10 · 59110.1038/nmat3054 ↗
29. Yu S. · Proc. IEEE · 2018 · 106 · 26010.1109/JPROC.2018.2790840 ↗
30. Choi S. · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 33510.1038/s41563-017-0001-5 ↗
31. Wang Z. · Nat. Electron. · 2018 · 1 · 13710.1038/s41928-018-0023-2 ↗
32. Kuzum D. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 217910.1021/nl201040y ↗
33. Jackson B. L. · ACM J. Emerging Technol. Comput. Syst. · 2013 · 9 · 110.1145/2463585.2463588 ↗
34. Suri M. · 2011 · 4.4.1
35. Burr G. W. · IEEE Trans. Electron Devices · 2015 · 62 · 349810.1109/TED.2015.2439635 ↗
36. Pirovano A. · IEEE Trans. Electron Devices · 2004 · 51 · 71410.1109/TED.2004.825805 ↗
37. Sebastian A. · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 111510.1038/s41467-017-01481-9 ↗
38. Tuma T. · Nat. Nanotechnol. · 2016 · 11 · 69310.1038/nnano.2016.70 ↗
39. Pantazi A. · Nanotechnology · 2016 · 27 · 35520510.1088/0957-4484/27/35/355205 ↗
40. Nishitani Y. · Jpn. J. Appl. Phys. · 2013 · 52 · 04CE0610.7567/JJAP.52.04CE06 ↗
41. Wu S. Y. · IEEE Trans. Electron Devices · 1974 · 21 · 49910.1109/T-ED.1974.17955 ↗
42. Landau L. D. · Zh. Eks. Teor. Fiz. · 1937 · 7 · 19
43. Devonshire A. F. · London, Edinburgh Dublin Philos. Mag. J. Sci. · 1949 · 40 · 104010.1080/14786444908561372 ↗
44. Böscke T. S. · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 99 · 10290310.1063/1.3634052 ↗
45. Müller J. · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 99 · 010.1063/1.3636417 ↗
46. Starschich S. · Appl. Phys. Lett. · 2014 · 104 · 20290310.1063/1.4879283 ↗
47. Mueller S. · Adv. Funct. Mater. · 2012 · 22 · 241210.1002/adfm.201103119 ↗
48. Mueller S. · ECS J. Solid State Sci. Technol. · 2012 · 1 · N12310.1149/2.002301jss ↗
49. Schenk T. · 2013 · 260
50. Muller J. · 2013
51. Ishiwara H. · Jpn. J. Appl. Phys. · 1993 · 32 · 44210.1143/JJAP.32.442 ↗
52. Oh S. · IEEE Electron Device Lett. · 2017 · 38 · 73210.1109/LED.2017.2698083 ↗
53. Jerry M. · 2018 · 6.2.1
54. Nishitani Y. · J. Appl. Phys. · 2012 · 111 · 12410810.1063/1.4729915 ↗
55. Kaneko Y. · IEEE Trans. Electron Devices · 2014 · 61 · 282710.1109/TED.2014.2331707 ↗
56. Mulaosmanovic H. · 2015 · 26.8.1
57. Vincent A. F. · IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. · 2015 · 9 · 16610.1109/TBCAS.2015.2414423 ↗
58. Lequeux S. · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 3151010.1038/srep31510 ↗
59. Sengupta A. · IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. · 2016 · 10 · 115210.1109/TBCAS.2016.2525823 ↗
60. Mizrahi A. · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 153310.1038/s41467-018-03963-w ↗
61. Borders W. A. · Appl. Phys. Express · 2017 · 10 · 01300710.7567/APEX.10.013007 ↗
62. Gajek M. · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2005 · 72 · 296
63. Soni R. · Nanoscale · 2016 · 8 · 1079910.1039/C6NR01277A ↗
64. Pantel D. · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 28910.1038/nmat3254 ↗
65. Garcia V. · Science · 2010 · 327 · 110610.1126/science.1184028 ↗
66. Huang W. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 10 · 564910.1021/acsami.7b18206 ↗
67. Zhu L. Q. · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 315810.1038/ncomms4158 ↗
68. Fuller E. J. · Adv. Mater. · 2017 · 29 · 160431010.1002/adma.201604310 ↗
69. Kim K. · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 169310.1002/adma.201203116 ↗
70. Lai Q. · Adv. Mater. · 2010 · 22 · 244810.1002/adma.201000282 ↗
71. Shi J. · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 267610.1038/ncomms3676 ↗
72. Yang Y. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2016 · 8 · 3028110.1021/acsami.6b08515 ↗
73. De Burgt Y. · Nat. Mater. · 2017 · 16 · 41410.1038/nmat4856 ↗
74. Sen Yang C. · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 180417010.1002/adfm.201804170 ↗
75. Zhu J. · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 180019510.1002/adma.201800195 ↗
76. Jiang J. · Small · 2017 · 13 · 170093310.1002/smll.201700933 ↗
77. Sharbati M. T. · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 180235310.1002/adma.201802353 ↗
78. John R. A. · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 180022010.1002/adma.201800220 ↗
79. Sangwan V. K. · Nature · 2018 · 554 · 50010.1038/nature25747 ↗
80. Huh W. · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 180144710.1002/adma.201801447 ↗
81. Borghetti J. · Nature · 2010 · 464 · 87310.1038/nature08940 ↗
82. Human Brain Project https://www.humanbrainproject.eu/en/.
83. Georgiou H. V. · 2014 · 0