突破性記憶體內運算技術：鐵電RAM直接執行微分運算

最新一期《自然通訊》期刊發表了一項革命性研究，科學家成功開發出全球首個「記憶體內鐵電微分器」，能直接在記憶體中執行運算，完全跳脫傳統處理器的框架。這項技術特別適合智慧型手機、自駕車和監視攝影機等邊緣裝置，將大幅提升能源使用效率。

現行影像處理與動態偵測技術存在嚴重效能瓶頸。傳統做法需要先記錄資料，傳輸至記憶單元，再轉發給微控制器執行微分運算，整個過程耗能又費時。研究團隊巧妙運用鐵電材料的獨特特性，從根本上解決這個問題。

華東師範大學田波波教授與段春剛教授接受專訪時表示：「我們深耕鐵電材料類腦運算研究已逾十年。鐵電材料憑藉其非揮發性極化特性，不僅適用於儲存裝置，更是記憶體內運算的理想選擇。」現行馮紐曼架構將記憶體與處理器分離，資料傳輸既耗時又耗能，形成嚴重的效能瓶頸。

研究團隊利用鐵電材料的動態特性突破技術限制。鐵電材料在無外加電場時仍能保持固有極化，且極化方向可透過電場反轉。這種「域切換」現象會產生可測量電流訊號，段教授解釋：「鐵電極性反轉本質就是偶極子極性變化，必然會產生電流。這種即時響應特性在其他非揮發性材料中相當罕見。」

團隊創新採用鐵電電容作為微分器，其電荷儲存方式能完美模擬時變過程。更關鍵的是，電容儲存與釋放電荷的機制本身就具備記憶功能，電壓水平直接對應資訊儲存狀態。這種鐵電隨機存取記憶體（FeRAM）與快閃記憶體同屬非揮發性，斷電後仍能透過極化狀態儲存資料。

實驗中，團隊建構了40×40被動式交叉陣列，整合1,600個鐵電聚合物電容。田教授強調：「鐵電電容內的域切換會在電路中產生宏觀可測電流。當我們用鐵電域取向編碼儲存資訊時，域切換過程會直接產生原位微分資訊。」這意味著裝置能即時偵測連續輸入間的差異，同步完成運算與資料寫入。

實際測試顯示，該裝置在1MHz頻率下，每次微分運算僅消耗0.24飛焦耳能量，效能較現行Intel 12900和NVIDIA V100處理器高出5-6個數量級。這種超高效能特別適合即時處理ECG/EEG資料的生物醫學裝置，以及需要即時影像分析的邊緣運算場景。

段教授透露技術具備高度擴充套件性：「採用矽相容的鐵電材料（如氧化鉿或氮化鋁），可量產超過1Gbit的鐵電陣列，執行複雜微分運算。」研究團隊最終目標是實現邊緣端的物理定律運算，讓鐵電陣列直接求解現實世界的微分方程。

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