2023年春季芯片评论：NON-VON NEUMANN认证与挑战 DOI：10.1016/j.chip.2023.100038

芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，1月15芯片评论NON-VON NEUMANN认证DOI：10.1016/j.chip.2023.100038片上机械计算：现状、挑战与机遇王鹿鸣1，<$，张鹏程2，<$，刘祖恒2，王增辉1，4，杨&锐2，3，刘伟1电子科技大学基础与前沿科学研究所密歇根大学-上海交通大学联合研究所，上海交通大学，上海200240 3上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240 4电子科技[2]这些作者对本书的贡献同样巨大。电子邮件：zenghui.wang邮件uestc.edu.cn（增辉Wang），rui.sjtu.edu.cn（杨瑞）Cite as：Wang，L.，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地片上机械计算：现状、挑战与机遇。芯片2，100038（2023）。https://doi.org/10.1016/j.chip.2023.100038收稿日期：2022年接受日期：2023年在线发布：2023年随着电子计算所面临的持续扩展和性能改进的挑战越来越多，机械计算已经开始吸引越来越多的兴趣。利用固态器件中的机械自由度，微/纳机电系统（MEMS/NEMS）可以为未来的计算和存储系统提供具有超低功耗、与恶劣环境的兼容性和高可重构性的替代解决方案。本文综述了MEMS/NEMS支持的存储器和逻辑处理器，并分析了未来片上机械计算的前景和关键词：MEMS/NEMS开关，MEMS/NEMS谐振器，机械计算，机械存储器，低功耗计算介绍几个世纪以来，机械计算机一直主宰着人类计算的历史.早在公元1000年左右（宋朝），苏颂就发明了宇宙机，这是最早的机械计算仪器之一。1642年，Pascal发明了Pascaline，这是一种实现加法和减法运算的机械然后在1673年，莱布尼茨跟进并发明了步进计算器，这是一种可以自动执行乘法和除法运算的机械计算引擎。后来在1822年，查尔斯·巴贝奇设计了一种机械计算引擎，称为差分机，它包含计算单元和存储单元，并且比冯·诺依曼发展他的现代电子计算机理论早了一个多世纪。 在20世纪，一些手摇计算器在-包括手持计算器，如Curta计算器，已经被发明出来，它可以执行11到15位精度的计算在第二次世界大战期间，机械计算机达到了顶峰，并被广泛用于计算任务，如炸弹路径估计（例如诺顿投弹瞄准器3），加密（例如加密）。Enigma）和代码解密（例如，炸弹4）。随着真空管和后来的晶体管的出现，伟大的发明带来了电子计算的伟大时代，然后是数字革命。通过仅仅移动电子而不是机械部件，电子计算设备表现出高速度和良好的可靠性。几十年来，在摩尔定律的推动下这些优点，以及其他许多优点，帮助电子计算机战胜了它们的机械前辈，并彻底改变了我们的生活。然而，随着集成密度的不断提高，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开始面临一系列挑战，例如短沟道效应、热载流子注入、关态泄漏、栅极氧化物泄漏、有限的温度范围以及缺乏可重构性等。为了克服这些挑战，半导体工业继续开发许多先进的制造技术或器件配置，例如应变硅、HfOx高κ介电层、FinFET、纳米片和栅极全包围晶体管等。因此，替代计算设备的探索成为一个势在必行的问题。由于现代半导体封装的进步，微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）现在可以可靠地制造并集成在片上电路和系统中。这些设备能够使用机械运动或振动来进行感测、致动、射频（RF）信号处理， 以及用于表示信息 ，即，计算和存储功 能 7. 基于MEMS/NEMS的计算/存储器装置被赋予许多优点，例如接近无限的亚阈值斜率（即，可以用微小的栅极电压变化实现高的ON/OFF电流比）、接近零的漏电流、超低功耗、恶劣环境兼容性、高可调谐性和高可重构性8。此外，精密的MEMS/NEMS结构可以实现多位存储器和计算，提供增加存储信息密度的潜力，并使信息提取更有效。因此，这种片上机械计算系统作为“More than Moore”方案下的未来高性能计算解决方案的一条有前途的路线，引起了世界各地研究人员越来越多的关注，审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，2月15-eff=图1|基于MEMS/NEMS的机械计算设备的特性。左图显示了单刀双掷机械开关，右图显示了一个锯齿形机械谐振器。一个多世纪前的机械计算，这一次是用这些高度集成的固态设备作为精致的微型计算机器。基于接触式MEMS/NEMS的微控制器/存储器基本器件结构和工作原理自从1978年硅基机械开关出现以来，已经开发了各种各样的基于MEMS/NEMS的接触式机械计算/存储器器件11。通常，MEMS/NEMS开关/继电器具有可移动结构，其可以进行平面外（图2a-b）或平面内（图2c）运动12当可移动组件和固定电极被空气/真空间隙分开时，几乎没有电流流过，从而导致理想的关断状态。当可移动部件被致动以与固定电极接触时，电流可以流过，导致ON状态。静电驱动是MEMS/NEMS开关15当向栅极（G）电极施加DC栅极电压（VGS）并将源极（S）电极接地时，静电致动力Fes可以克服弹性恢复力Fm并使梁偏转。假设在大多数设备设计中存在高纵横比间隙（因此平行板近似在整个设备运动中保持），可移动部件上的净力Fnet由以下公式18、19给出：本文着重介绍了纳米机械计算的工作原理、研究现状、面临的挑 战 和 发 展 前 景 。 在 器 件 运 动 方 案 的 基 础 上 ， 提 出 了 基 于MEMS/NEMS的MEMS/NEMS器件运动方案。Fnet=Fes−Fm=1V2εAGSk x（1）2（g−x）2机械计算/存储器装置可分为两类：具有准静态运动的接触模式装置（即，开关或继电器），以及具有机械振动的非接触模式（即，谐振器或振荡器），如图1所示。第二节对接触式机械记忆和计算进行了综述。然后在第三节中，介绍了基于非接触式机械谐振器的存储器和计算设备在第四节中，讨论了现代纳米力学计算的最后，第五节是总结和结论.其中ε是两个介电常数之间的空气/真空间隙的介电常数。A是电极的重叠面积，g是电极之间的制造间隙，x是可移动部件的偏转，并且keff是有效弹簧常数。随着VGS的增加，静电驱动力的增加速度比弹性恢复力的增加速度快（二次对二次）。线性的），并且超过一定的偏转，系统不再能找到平衡位置（F净为0的x值），并且将出现机电拉入效应这里，吸合电压取决于边界条件，并且可以一般地描述为图 2|几种典型的MEMS/NEMS开关/继电器结构的图示。a.具有平面外光束运动的双金属型开关。b.具有体栅极的平面外c，平面内单刀双掷开关。固定电极为金色，活动部件为浅灰色。审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，3月15∼Pi27εA图3|静电驱动MEMS/NEMS开关的滞后ID- V GS特性。a，预期的I-V特性，在导通电压V ON和关断电压V OFF之间显示滞后窗口。b-c，两个典型的碳化硅（SiC）NEMS开关的电测量结果，示出了正常操作和静摩擦。d-e，当悬臂与漏电极接触（ON状态）时以及当悬臂与漏极分离（OFF状态）时SiC纳米悬臂开关的SEM图像请注意，e中的假色SEM图像是从一个角度而不是自上而下拍摄的24岁© 2020 Wiley-VCH.As：V_（10），8 g3 keff 20. 它导致了一个突然的开关与一个接近零的亚，这可以通过使用向上和向下的VGS扫描来控制毛皮-然而，在某些器件设计中，当VGSMEMS/NEMS开关中的阈值摆幅，这对于低-电源逻辑操作17.除了静电驱动之外，还研究了其他驱动方案，包括MEMS21、电磁22、压电23等。热驱动方案利用了器件结构中的热膨胀，但其致动速度通常受到热常数的限制。磁驱动方案施加外部磁场来致动由磁性材料制成的可移动部件或使电流流过。通常，压电驱动方案利用逆压电效应来在施加电压的情况下引起机械这些驱动方案已经全部用于致动MEMS/NEMS开关。当动、固电极之间发生机械接触时，接触界面处的物理间距可接近原子尺度。因此，电动力（对于较短范围也被称为范德华力，对于较长范围也被称为卡西米尔力）变得超过弹性恢复力并引起粘附24这种电动力是由于材料边界对电磁场的量子涨落和热涨落的修正而产生的，是这些器件固有的，真空中的零点能使自由空间中的电磁模密度比两个表面之间的电磁模密度高，从而使这种电动力对空气或真空中的两个表面具有 粘附力将导致其漏极电流（ID）与漏极电流（ID）之间的滞后。 VGS特性，如图所示。 3 a-b。当VGS向上扫描并达到开启阈值电压时，可移动梁被拉下以与固定电极接触，器件进入ON状态（图1）。 3 d），允许相当大的漏极电流流动。然后，随着VGS向下扫描，对于低于导通电压的电压范围，由于粘附力，梁仍然粘在固定电极上，允许电流继续流动。当VGS最终下降到低于关断阈值电压时，电极分离，因为弹性恢复力最终超过粘附力和静电致动力的总和，并且器件返回到关断状态，泄漏可以忽略不计（图3e）。可以利用这种滞后来实现存储器器件，但是当用作逻辑器件时是不期望的，因为它可能导致器件退化或甚至故障。通过利用该滞后窗口，可以实现存储一位信息的接触模式机械存储器单元，因为滞后区域中的给定VGS的电流可以不同，被完全移除，从而导致非易失性存储器操作，其中保持时间超过106 s28。此外，这种非易失性存储器可以在200 °C下稳健地工作，如在力矩驱动的基于蛇形铰链的NEMS开关29上测量的。对于硅纳米线NEMS开关，由于接触表面的氧化，在机械接触之后也观察到电阻切换行为，形成混合NEMS开关和电阻切换存储器器件20。这种MEMS/NEMS存储器是非易失性的和高温兼容的，这为新型存储器器件开辟了新的途径。相比之下，当用作逻辑器件时，较大的粘附力可能会引起金属焊接并导致器件故障（图1）。 3 c）。为了避免这种影响，一些研究已经使用特殊的接触表面几何形状和粗糙表面来帮助显著减小粘附力24、30、31。例如，通过在接触表面24处形成正弦形凹槽，与光滑表面相比，由电动力产生的粘附可以减少多达25倍。MEMS/NEMS开关中的粘附力和恢复力之间的关系可以被估计32，从而允许具有指定的“继电器模式”（易失性）或“存储器模式”（非易失性）的接触模式设备的合理设计还探索了诸如自组装分子的抗静摩擦涂层以减少静摩擦的机会33。然而，许多静摩擦减少措施也减少了导通电流，并且仍在进行积极的研究以克服这一重要的折衷。低电压工作电极间的气隙使MEMS/NEMS开关具有极低的漏电流和高的ON/OFF电流比，因此，由于机械吸合效应，亚阈值摆幅（SS）几乎为零，这允许在保持小漏电流的在这些装置34中。相比之下，MOSFET的最小SS为60 mV dec−1（室温）和不可忽略的亚阈值泄漏电流，这导致阈值电压降低时而且当MOSFET按比例缩小时，短沟道效应将导致更严重漏电流问题。相比之下，当NEMS开关按比例缩小时，空气/真空间隙通过使用抗静摩擦分子涂层来减小接触粘附力，NEMS继电器图4在体偏置33的帮助下实现低于50 mV的操作。具有长梁的硅基悬臂NEMS开关也报告了在没有体偏置的情况下低于50 mV的开关35，显示SS为2 mV dec−1，ON/OFF比为109。之一审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，4月15∼∼∼∼图4|具有低压开关特性的代表性静电驱动MEMS/NEMS开关。a，碳纳米管NEMS开关的SEM图像，以及所测量的器件的I-V特性，改编自参考文献1。第三十九章。© 2006美国化学学会。b，基于SiC纳米线的低压NEMS开关的假彩色SEM图像，包括接触区域的放大图像（顶部），以及显示来自几个类似器件的开关事件的测量的I-V37岁。© 2010美国化学学会。NEMS 开关报告的最低SS值小于0.3 mV dec−1，远低于室温下MOSFET的SS值36。低电压操作是进一步确保规模的可能性，在设备尺寸的NEMS开关。SiC纳米线NEMS开关已经被证明（图4b），宽度小至20nm，横向开关间隙窄至10 nm，显示1 V开关37。NEMS开关中的空气间隙可低至4 nm，- 管夹结构，其导致低于1 V的工作电压38。基于单壁碳纳米管（SWNT）的NEMS开关也已得到证明，显示开关速度下降到几纳秒39。低功率NEMS逻辑电路一个实验研究比较了由互补金属氧化物半导体（CMOS）和MEMS开关 40组成的32位加法器的功耗。尽管MEMS开关的延迟相对较大，但它们的能量延迟产品几乎是CMOS器件的10倍当NEMS开关按比例缩小到先进技术节点处的晶体管的尺寸时，可以进一步降低能量消耗28、41。此外，据报道，与基于CMOS的查找表（LUTs）42相比，基于NEMS开关的查找表（LUT）电路具有低得多的读出能量（4个输出引脚为1 pJ）。这些令人鼓舞的结果表明，随着纳米纤维技术的进一步发展，可以合理地预期基于MEMS/NEMS开关的器件的功耗（或能量延迟积）将大大优于基于CMOS的器件，从而使基于MEMS/NEMS开关的逻辑和存储器器件成为未来节能集成电路和系统的有希望的候选者。高温兼容性MEMS/NEMS开关可以承受恶劣的环境，例如辐射、腐蚀性气体或远远超过CMOS器件温度限制的高温。例如，高温环境可以在某些动力系统或喷气发动机中找到。发动机，其中温度可能超过500 °C43。Si MOSFET通常不能在这样的温度下工作，这是由于热产生的载流子将迅速增加并开始超过掺杂剂诱导的载流子，并且器件不能通过栅极电压正确地导通和截止。虽然基于诸如SiC44的宽带隙半导体的FET可以减轻这种影响，但 是 它 们 可 以 承 受 诸 如 低 开 关 速 度 45 的 问 题 。 相 比 之 下 ，MEMS/NEMS开关不是通过控制FET中的电子浓度来操作，而是通过控制纳米机械接触或分离来操作，这即使在升高的温度46下也可以防止关断状态泄漏。结果，已经证明NEMS开关和逆变器可以在高达500 °C的温度下操作（使用氮环境以避免氧化），其中漏电流比SiC结FET47的漏电流低四个数量级。据报道，SiC NEMS开关在500 °C的环境空气中工作，显示出3 V的低接通电压和不可测量的漏电流48，49。与电子开关装置50相比，机械计算装置的高温兼容性是有吸引力的和独特的优点。多功能器件和集成电路设计MEMS/NEMS开关为逻辑器件的设计提供了极大的灵活性，可用于优化器件性能。例如，最简单的三端开关设计（图图2a）面临低致动电压与快速切换速度之间的折衷问题，因为快速切换速度通常需要具有大有效弹簧常数的梁，这于是需要大致动电压51。 这种挑战可以通过单刀双掷开关设计来解决（图1）。 除了提供相反的静电力以将悬臂从栅极分离以避免粘附之外，第二栅电极还可以使两个参数解耦：当梁与一个栅极接触时，梁由于偏转而存储弹性能量，这可以帮助降低当使用另一个栅极进行切换时所需的致动电压。此外，开关可以具有常开（NO）和常闭（NC）输出引脚审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，5月152ω0VGS图5|各种MEMS/NEMS开关结构显示出不同的计算功能。a，具有两个栅极（G1和G2）和两个集成压阻换能器（P1和P2）的悬臂的测量方案的SEM图像。b，与a类似的器件的测量开关特性，蓝色实线表示栅极电流，红色虚线表示压阻传感器电流，改编自参考文献。二十五© 2021 IOP Publishing Ltd.c，状态为“1”（导通）的NEMS存储器开关的SEM图像，以及d，测量的I-V五十三© 2020 IEEE. e-f，基于MEMS继电器的全加器电路，其中e为SEM图像，示出了加法器的和位的端子布置，以及该机械加法器的f测量结果，改编自参考文献。第五十七章。2021年IEEE通过将漏极电极放置在第二栅极电极旁边。这种结构还允许三态切换，其中悬臂梁不接触第三高阻抗半导体中的任何漏电极。州53. NEMS开关也可以与嵌入式压电集成因此需要更大的面积或更小的气隙58、59。然而，较小的气隙可能降低可靠性60。另一方面，在一项研究中，引入过程期间的切换时间是Ts=27。VPI 在哪里？主动传感器监测接触过程，如图所示。5 a- 5 b 25.通过利用连接到开关的两个硅纳米线中的强压阻效应此外，具有栅极、漏极、源极和体电极的四端开关可以通过简单地改变体电极以连接VDD或GND来模拟n型和p型MOSFET（图11）。 2 b）14.由 于 MEMS/NEMS 开 关 在 其 ON/OFF 开 关 功 能 方 面 类 似 于MOSFET，因此可以使用机械开关实现基于传统半导体器件的已经提出并使用MEMS继电器演示了各种电路，例如加法器、ADC、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、触发器、数模转换器（DAC）和振荡器40。例如，已经证明，基于MEMS开关的振荡器可以应用于伊辛机54的实现。还探索了基于MEMS/NEMS开关的存储单元55和甚至基于存储器阵列的现场可编程门阵列（FPGA）56虽然目前MEMS开关的开关速度不如CMOS电路的开关速度快，但可以通过减少关键路径中的器件数量或进一步缩小器件尺寸来进一步优化。例如，已经通过实验证明，基于MEMS开关的全加器仅需要16个器件，这少于传统CMOS加法器57所需的28个器件。优化驱动电压、速度和寿命的挑战和前景尽管MEMS/NEMS开关具有现有的优点，但仍然存在若干挑战，具体地说，需要更低的操作电压、更小的器件尺寸、更高的操作速度和更长的寿命。为了使开关电压最小化，需要大容量电容器。VPI是吸合电压，ω0是基本弯曲模式角可移动部件37的频率。这指示最小化致动电压VGS与切换时间之间的折衷为应对这些挑战作出了持续努力。通过将碳纳米管39、61或硅纳米线62用于NEMS开关，可以潜在地实现高谐振频率ω0，这导致以小电压的快速操作。数值分析表明，在纳米级器件能够可靠制造的条件下，双极型逆变器的驱动电压和开关速度可以低于0.7 V和1µs63。在另一种尝试中，接触区域间隙被设计为比致动间隙小得多，从而允许MEMS/NEMS开关在非拉入模式下操作，这实现了低至50 mV的切换电压36。降低致动电压可显著改善装置当这些NEMS开关被致动在动态模式下的操作与间歇性的机械接触，致动电压通常会降低，和“热”开关（与电流流过）的10 6个当悬臂梁在谐振模式下操作并且尖端在接触电极上轻敲时，已经用毫伏致动电压66证明了在“冷”切换模式下（有接触但没有电流流过）超过100亿次循环此外，通过设计接触材料，寿命也可以提高，并且通过使用二氧化钌（RuO2）-Au接触67已经实现了超过10- 10次的开关静态双稳态和多稳态可以通过设计器件结构来实现，它可以形成两个或多个稳定的状态，并且不需要静态电源来维持状态，这对于开发新型计算和存储器件是很有希望的在中点固定的双曲梁结构中观察到双稳态行为，其中屈曲梁审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，6月15、∼∼2π有效图6|代表性MEMS/NEMS谐振器结构的图示。示意图a，悬臂梁谐振器;b，双箝位梁谐振器;c，完全箝位圆形膜谐振器;和d，自由-自由梁谐振器。微扰以浅灰色着色，初始位置以黄色着色，并且显示基本模式共振中的运动（半透明）。可以重新配置为两个稳定的形状68。还通过在弯曲和预应力梁69中采用闩锁机构来进行具有静电致动的MEMS器件的模拟。还通过使用自锁机构70实验性地证明了MEMS器件的电热调谐。可以通过使用用于双向切换的单个电极来减小MEMS器件的覆盖区，其中压缩应力由焦耳加热71控制。机械静态逻辑器件可以使用屈曲梁72来建模和设计。另外，通过重新设计栅电极73的形状，可以显著地降低吸合电压和突跳电压。除了MEMS器件，多稳态也被证明。三稳态性已经通过探索由静电力和表面力引起的杠杆中的浮动、弧形和S形状态而实现74、75。通过设计单刀双掷结构也实现了三稳态MEMS开关，其中三个稳定状态包括梁接触两个端口中的每一个，以及梁在中间76的OFF状态。此外，弯曲的耦合梁也被用于演示三稳态器件77。进一步的研究，如降低在不同状态之间切换所需的电压，提高改变状态的可靠性，以及开发具有更稳定状态的结构，将有希望推动这些静态双稳态或多稳态MEMS/NEMS器件走向未来应用。综上所述，MEMS/NEMS开关具有一系列明显的优势，如接近零的亚阈值漏电流，超低的亚阈值摆幅，超低功耗工作，以及恶劣的环境兼容性。这些器件可以用与CMOS工艺30兼容的工艺制造，并且是高度可缩放的。与此同时，仍然存在需要进一步研究的开放性挑战，这可能会导致这些设备的实际应用。基于谐振模式MEMS/NEMS的微处理器/存储器除了仅在输入信号改变时才翻转的MEMS开关之外，还存在以响应模 式 操 作 的 MEMS 计 算 设 备 ， 即 ， 不 断 振 动 。 一 些 谐 振MEMS/NEMS装置以接触模式操作，或更精确地，以轻敲模式操作（如在原子力显微镜或AFM中），且较不易受例如静摩擦78的问题影响。然而，大多数谐振MEMS/NEMS计算设备以非接触模式操作，这将在下面部分地工作原理和典型器件结构接触式开关是根据电导的变化来判断逻辑操作的通断状态，这与MOSFET类似，但是，非接触式开关是根据电导的变化来判断逻辑操作的通断状态的。接触谐振MEMS/NEMS计算设备是不同的。它们使用特定频率下的振动振幅或谐振频率来表示不同的逻辑状态79。这些器件适合于计算，而且，它们也可以通过探索这些器件固有的各种物理现象而用作存储单元由于没有静态电流流过器件而导致的超低功率操作是非接触器件的重要潜在优势。操作NEMS谐振器所需的最小操作功率水平是驱动刚好高于热波动的幅度，其可以使用Pmin kBT ω0/QPmin来估计kBTω0/Q80. 对于以这种最小幅度操作的NEMS谐振器，功率水平可以低至10阿托瓦（10- 17 W）水平。这表明，在理论上，仅用皮瓦（10- 12 W）水平的输入就可以在NEMS谐振器中实现105的信噪比。与MOSFET相比，消耗更小的功率，其通常为微瓦（10- 6W）级（使用每个开关811fJ和1GHz开关速率估计）。由于MEMS/NEMS谐振器可以采取许多几何形状/夹持条件（图6），例如单夹持82、双夹持83、完全夹持84或更复杂的几何形状，例如自由-自由梁85或梳状驱动结构86。驱动机构可以包括静电83、光热87、磁动88、89、光声90和压电79等，并且驱动机构的选择通常与几何形状有关例如，磁动致动要求电流通过谐振体，因此更多地用于双夹持结构中，而不适用于单夹持结构。MEMS/NEMS谐振器的计算功能可以通过频率调谐91、92来实现，这导致在给定频率处的不同谐振幅度，并且因此可以用于表示逻辑“1”或“0”状态。使用集总模型，谐振频率可以写为fres=1keff，其中keff是有效弹簧常数，meff是有效质量。谐振频率可以通过不同的机制来调谐，例如应变或温度。在具有高纵横比的一些NEMS谐振器中，可以通过应变有效地调谐频率，因为这些谐振器在弦或膜极限93例如，一维（1D）碳纳米管谐振器通过使用压电衬底来产生应变99而显示出高达2000%的频率调谐，并且二维（2D）石墨烯谐振器通过使用焦耳加热来诱发附加应变100 而显示出高达1300%的频率调谐。栅极电压引起的静态偏转也可以有效地在悬浮谐振结构中引起拉伸应变。对于二硒化钨（WSe2）谐振器，仅用10 V的栅极电压101就可以实现231%的频率调谐范围Δ f/f0。这些值远高于较大Si基审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，7月15−图 7|作为可重构逻辑器件的谐振器。a，执行双输入逻辑操作的双箝位梁谐振器的SEM图像。 a–c一百零七© 2018 AIP Publishing LLC. d，基于悬臂谐振器的可重构逻辑器件的图示e，当d中的器件用作XOR或AND门时的模拟谐振 92个。版权所有© 2021 IOP Publishing Ltd.MEMS谐振器，其通常具有约10%或更小的频率调谐范围102、103，并且对于基于频移的MEMS/NEMS计算的低功率操作可能是潜在有益的。高可重构性是MEMS/NEMS基于谐振器的计算的另一个有吸引力的特性。例如，通过调谐谐振频率，MEMS/NEMS谐振器能够使用单个器件实现几个基本逻辑门。当输入逻辑为（0，0）时，谐振频率为f0;对于（0，1）或（1，0），频率移到f1;当输入为（1，1）时，进一步移到f2（图7b）。通过使用f2作为参考频率，可以实现与门，因为只有当输入逻辑为（1，1）时，S21才足够高（>谐振器还可以通过选择不同的参考频率来实现NOR、NOT、XNOR和XOR门，而无需改变连接。通过扩展这样的设计，可以通过简单地添加n个并行DC偏置106来实现n位逻辑。图7a-c与双频调制相比，静电调谐具有更快的响应速度和更低的功耗，并且可以实现可重构的逻辑功能这样的器件具有高度变化的设计，并且可以呈现四个108、六个92或任何其他数量的逻辑输入。在六输入装置中，例如，当使用AC信号作为输入时，谐振幅度由输入信号直接调制当直流电压用作输入时，谐振频率被调谐，并且通过使用图1中所示的连接。在图7d-e中，逻辑功能可以根据X1是否为固定为逻辑“1”（本例中为1 V）或“0”。因此，MEMS/NEMS谐振器由于其可重构性而具有降低数字电路的整体复杂性的潜力。此外，这些逻辑器件可以级联成更复杂的电路和系统107、109。随着规模化的纳米制造技术，这种可重新配置的谐振器逻辑，在谐振频率高于1 GHz110的情况下， VICE可以表现出每次操作的能量消耗大约为1 aJ（10−18J），因此有望用于超低功率逻辑电路。MEMS/NEMS谐振器还提供通过使用具有不同配置的多个输出端口在单个器件内并行执行多个逻辑功能的能力，从而在应用中提供额外的在一个示例中，OR/NOR逻辑和XOR/AND/NOR逻辑使用相同MEMS解析器111内的不同部分来演示。在另一示例中，使用不同频率的机械振荡在相同的MEMS谐振器中对多个二进制信息通道进行编码，这允许逻辑操作被模拟器112执行。通过增加MEMS/NEMS谐振器中的驱动力，可以将谐振响应驱动到非线性状态。非线性响应的解析解在一定的频率范围内表现出一种非线性状态，可以用来表示两种逻辑状态。这种逻辑状态可以通过选择频率扫描方向（图8a）113、114来设置。对于图8b所示的2D二硫化钼（MoS2）NEMS谐振器，可以以这种方式获得两个这样的状态（图8通常，更强的驱动可以导致更大的滞后区域，并且因此导致这种NEMS存储器设备的更大的操作窗口（在频率方面滞后窗口也可以通过以下方式进行调整：审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，8月15图 8 |MEMS/NEMS谐振器的非线性响应和记忆特性。a，Duffing非线性频率响应，表现为一种非线性状态（参考文献10中的公式）。114），其中不稳定解定义了f1和f2之间的双稳态窗口。彩色箭头表示可以通过不同的频率扫描方向访问这两种状态。© 2021自然出版集团。b，显示圆形鼓面MoS2 NEMS谐振器的光学图像c，非线性共振谱，表明滞后窗口可由RF驱动电压vg调谐。d、通过施加电压脉冲的存储器操作 115个。© 2022 IEEE.然而，在DC栅极电压116的情况下，DC调谐还可导致频率偏移，这在某些应用中可能是不期望的。非线性谐振器不仅可用于存储，而且可用于计算。通过利用双箝位梁谐振器中的非线性双稳态，演示了几种基本的逻辑门。具体地说，双稳态中的两个稳定态可以看作是被势垒隔开的两个局部能量极小值。当扰动信号超过阈值时，该器件可以在两个稳态（不同的谐振幅度）之间切换，从而实现AND/NAND逻辑门，而NOT逻辑仅通过反转幅度逻辑表示来实现。在另一示例中，逻辑和存储器功能都在同一梳状驱动解析器118、119中实现。除了振幅，记忆功能也可以通过利用NEMS谐振器中的其他自由度来实现，例如频率。在一个这样的示例中，在其谐振频率中示出热滞后的2D谐振器可以制成热调制存储器120。在每次切换之后，谐振器不需要额外的能量来维持其谐振频率，使其成为超低功率非易失性存储器的有希望的候选者人类大脑在许多方面比数字计算机消耗更少的功率，并且更智能，因此自20世纪80年代以来，超越冯诺依曼架构的神经形态计算已经出现，并且由于设备技术和算法的进步而引起了越来越多的兴趣。由于人脑和神经元的复杂行为，当实现神经形态系统时，主流的模拟和数字组件在面积和能量方面通常不是有效的相反，具有丰富动态行为的其他设备（诸如MEMS/NEMS）在模拟尖峰动态和生物神经元的其他行为方面可以更有效，并且可以真正实现生物系统122中的超低功率计算。已经提出了基于振荡器的神经计算机，其可以通过经由公共介质123的耦合将使用常规神经计算机的n2个连接缩减为使用振荡神经计算机的n个动态连接（对于n个神经元）。这种振荡神经计算机的数值模拟已经实现使用耦合具有反馈回路的非线性MEMS自持振荡器，其甚至可以在噪声源和制造工艺变化的情况下稳健地操作124。基于激发率理论，基于MEMS的连续时间递归神经网络（CTRNN）的模拟在人类活动识别125的分类中表现出高能量效率和高准确性。另一个神经元激发速率模型，动态场理论，也已经通过利用双悬臂MEMS电容式加速度计的双稳态和hysteresis122，使用双悬臂MEMS电容式加速度计实验性地实现。此外，共定位感测和计算已经用平行板致动器的指状阵列进行了实验性演示，该指状阵列采用通常不期望的拉入/拉出滞后，这扩展了使用MEMS器件126的CTRNN概念。此外，已经采用遗传算法来训练MEMS网络以解决分类感知问题127。最近，新兴的基于MEMS的神经形态计算方案，如水库计算（RC）引起了越来越多的关注。一个典型的RC系统由一个输入层 、 一 个 未 被 训 练 的 库 和 一 个 将 被 训 练 的 输 出 层 组 成 。MEMS/NEMS谐振器和振荡器可以用作储存器。已经使用单个Duffing非线性MEMS振荡器证明了使用时分复用方案的基于延迟的RC，在时间序列分类任务128中具有高精度。共定位感测和基于延迟的RC已经通过使用MEMS加速度计作为reser- voir129在实验上实现。使用具有延迟反馈的RC来本地处理加速度数据的类似MEMS神经加速度计可以精确地模拟非线性自回归移动平均模型并处理随机比特流130。通过利用混合非线性动力学（包括瞬态非线性响应和Duffing非线性），还实现了具有单个MEMS谐振器的非延迟RC131，这可以消除时间延迟反馈并提高RC131的效率。为了提高非线性变换任务中的预测精度，使用预训练方法来调整基于MEMS的reservoir132的参数。尽管使用MEMS/NEMS器件实现了这些RC系统的发展，但在许多方面仍有待进一步改进，例如非线性和动态的调谐、器件缩放和外部电路优化，这些方面正在积极研究。审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季Wang，L.，美国，张，P.，刘志，Wang，Z.扬河，巴西-地芯片2，9月15∼∼表1|基于NEMS的计算设备与其他计算设备的比较。装置特性MOSFET RRAM基于NEMS的计算静态功耗10−9 W无时为零写/读10−12W96可重构性差差好高温（≥500 °C）兼容性不公平144是47可逆性尚未报告尚未报告是141开关速度GHz 10开/关比>105> 102145> 10935亚阈值摆幅（300 K）≥60 mV dec−1不适用接近零度36新兴的NEMS计算设备基于NEMS的计算设备已经在量子计算研究中被探索，例如作为纳米机械量子比特（qubit）133、134。当使用NEMS谐振子用于量子位时，非谐势是必要的。碳纳米管NEMS量子比特已经通过将弯曲共振模式耦合到双量子点135的电荷态来诱导强非谐性而被提出。此外，还提出了具有双箝位谐振器（诸如碳纳米管）的阵列的设计，其耦合到高精细度光学腔的公共谐振模式（诸如回音壁模式腔的倏逝场）136。原子薄的石墨烯共振NEMS系统也已经被提出通过利用其强Duffing非线性来表现出量子区域中的非谐性。在横向尺寸为10至30 nm的情况下，可以实现足够的电势非谐性以形成2D NEMS量子位137。通过探索NEMS/MEMS谐振器138中的参数振荡，可以通过构建参数振荡器（此外，通过探索两个参变子之间的强双线性耦合和失谐，提出了伊辛机140。与传统的CMOS电路相比，这种Ising机可以更快的速度和更好的能量效率来解决组合优化问题。伊辛模型的变体可以模拟神经网络，如Hopfield网络或玻尔兹曼机。此外，MEMS/NEMS谐振器还显示出用于新兴计算范例（诸如可逆计算）的前景。例如，MEMS Fredkin门（一种类型的可逆逻辑门）已经通过互连四个双箝位梁谐振器141来实验性地演示。由于在计算过程中没有删除任何一位信息，这种可逆逻辑器件有可能克服冯诺依曼-朗道（VNL）极限。此外，通过调制施加到谐振器的激励信号的振幅或频率，已经使用非线性MEMS谐振器142实验地和数值地证明了混沌信号的产生。此外，已经使用具有动态捕获的弯曲双箝位光束实现了双稳态，并且可以通过电压143的步进控制来实现两个稳定状态之间的转变。基于MEMS/NEMS的微处理器/存储器的展望虽然基于MEMS/NEMS的计算设备已经展现出独特的优势，并有望成为传统半导体电子设备的替代品，但仍然存在一些挑战。首先，由于现代集成电路通常包括数百万或更多的逻辑门，MEMS/NEMS器件的大规模集成仍然是必要的。然而，在这样的规模下，将难以控制MEMS/NEMS装置的均匀性和良率其次，需要进一步优化MEMS/NEMS器件的器件特性对于接触式MEMS/NEMS开关，需要更好地解决接触退化和粘滞问题，并进一步降低开关电压和延迟对于非接触式MEMS/NEMS谐振器，在谐振频率、品质因数Q和频率调谐特性方面仍有进一步优化的空间。此外，当级联这些基于MEMS/NEMS的逻辑器件时，通常需要诸如缓冲 器 和 放 大 器 之 类 的 附 加 电 子 部 件 为 了 解 决 这 些 问 题 ，MEMS/NEMS谐振器和振荡器的固有增益将是特别有用的，和某些神经形态计算，不需要级联，ING可以提供实用的替代传统的逻辑电 路 。 最 后 ， 在 电 子 设 计 自 动 化 （ EDA ） 技 术 应 用 于 基 于MEMS/NEMS的大规模电路及其与CMOS电路的异构集成之前，还需要驱动和读出器件阵列的电路设计以及器件等效电路模型。在表1中，将基于NEMS的计算设备的几个方面与主流MOSFET和电阻式随机存取存储器（RRAM）144目前，由摩尔定律驱动的晶体管仍然占主导地位，因此机械计算有望用于利基应用，例如具有严格功率约束的物联网（IoT）设备，在恶劣环境中操作的设备，或者当可重构性比规模和速度更重要时。此外，混合计算设备（诸如CMOS-MEMS）通过组合不同设备技术102、147的优点来提供独特的可能性。例如，基于谐振器的存储器可以与异质结FET集成，以将谐振直接转换为电信号90。这种混合器件既具有CMOS器件的优点，如高操作速度，又具有机械器件的独特特性，如低功耗和高可重构性。基于一维二维纳米材料的纳米材料NEMS提供的独特优势已经迅速出现，其明显的优势是谐振频率可以通过应变高度调谐84，148。由于可以通过改变谐振频率来容易地重新配置功能的事实，当谐振器用作计算设备时，可调谐性提供了有用的自由