计算机存储器：永不失忆的半导体芯片

1945年，数学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）提出了一种非常简单的计算机设计，它包括两个关键部件：中央处理单元（CPU）用来执行计算和逻辑操作，内存组件用来存储指令和数据。今天，我们的计算机和装备了各类微处理器的小型计算设备仍然遵循这一基本设计，但是其底层要复杂得多。现有的存储器没有一款可以适用于当代计算机所面临的所有各种情况。因此，为了尽可能快地移动指令和数据，工程师们不得不做出妥协。今天的计算机使用了一种由多种存储器共同组成的“大杂烩”式的技术方案，以尽可能发挥各种技术的特长。几十年来，这种方案一直运转良好，但这和理想状态相去甚远。当今的计算机最大能耗之一就是在CPU和各级存储器件之间不停地搬运数据而产生的。此外，所使用的最快的存储器如果没有得到持续不断的供电，就会丢失记录的数据。而高密度（即能在小区域上存储大量的比特位）的存储器的速度则较慢，这也是我们的计算设备以及计算机需要较长时间才能从休眠状态唤醒的主要原因。

研究更好的存储技术的工程师们一直在尝试突破这些限制。我们一直都在梦想创造出一种能很好完成各种要求的、统一、“万能”的存储器来取代今天采用多种存储器的组合方案。这种存储器必须速度快，尽可能减小读写操作产生的延迟和能耗，还应该能将其与CPU集成在同一个芯片上，从而使存储和计算之间的距离更近；也应当使其具有足够高的密度，以便足以在成本上与现有内存技术竞争。同时，我们还希望它具有非易失性（nonvolatile），即无须对它持续供电也能够保持内部存储的数据状态，这样就可以在不需要的时候将其断电。

这样的存储器还需要若干年才能成为现实但这一愿景已经足以激发出许多在未来有可能实现的新型存储器的创新想法。我们在加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队正在从事一项我们认为可能最有突破前景的候选技术。这是一种称为磁电随机存储器（Magnetoelectric Random Access，MeRAM）的磁性内存技术。我们已经构造了这种存储器的小型阵列，并在最近开始得到芯片制造商的关注。

与此同时，我们和其他研究者也在探索如何利用使我们得以向磁电随机存储器写入数据所用的同样的物理过程来实现一些更激进的突破：通过消除计算逻辑单元和存储单元之间长期存在的壁垒，颠覆冯·诺伊曼提出的计算机设计方案。基于磁电随机存储器技术，有可能创建具有独特形式的存储器逻辑。一种融合计算和记忆功能的开关电路。这种开关电路能够在断电情况下保持状态。

这种“非易失性逻辑器件（nonvolatile logic）”未来可能引发微处理器领域的一场变革，允许我们构建新型的计算和存储融合的芯片，能够快速关闭其中暂时不用的部件，以降低能耗，在断电的时候冻结这些单元的状态，并且这些单元一旦重新加电，就能准确地记起这些单元在最后关闭之前的内容。在我们实验室，我们喜欢称这种新型的即时电子器件为“即开即用电子器件（Instantonics）”。我们相信，这种器件能够极大地提高计算机、平板电脑和智能手机等设备的运算速度和电池续航时间。同时，它也能够为部分内存密集型计算任务（如视频及多媒体信号处理、模式识别、虚拟现实以及机器学习等）提供巨大的推动力。