基于VO2忆阻器的无线物联网混合系统

无线物联网（WIoT）在各领域（如智慧工厂、智能家居、安防监控）愈发受重视。相较于传统网络，WIoT具备无需有线或物理连接、方便设置、需要少人干预的特点，有助于提升生产效率、降低成本，同时提高用户使用体验。现代WIoT设备可用高频实现短距离快速数据交换，亦可用低频实现在边缘或云处理中心的远距离数据传输。其中，生成与混合频率是高效无线传输中的重要环节；然而，目前的生成与混合模块常采用单独的电路，基于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，涉及寄存器、环形振荡器、数模转换器和运算放大器等复杂电路，且未专门针对WIoT低频传输链路进行设计，导致出现高延迟和能耗问题。

针对此问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心的杨玉超教授团队首次提出以VO2 忆阻器为主体的高一致性、可校准的频率振荡器，在此基础上构建了8×8的VO2 忆阻器阵列，通过紧凑设计的外围电路实现了频率现场生成和可编程频率混合系统。演示实验证实，基于脉冲激光沉积的外延生长VO2忆阻器件具有基于负微分电阻（NDR）行为的自振荡现象，原位观察揭示高温导电通道的形成和消失引起NDR区的自振荡，阐述了这一现象由电热引发莫特转变。由于器件质量优良，有并联校准电阻，振荡器展现出良好的周期内和器件间一致性。该系统可现场生成集混2至8个通道，频率高达48kHz。此外，团队还深入分析了VO2忆阻器阵列可编程性，频率生成和混合可根据VO2阵列大小、电压调控的电流驱动单元以及校准电阻来调整，成功实现了基于VO2忆阻器的高一致性、可校准原位频率生成与混合。

接着，团队构建了软件硬件一体化的端到端WIoT实验系统，在传输多项传感器数据（如音频、图像和点云）的过程中，相较于现有基于CMOS的频率生成与混合模块，VO2忆阻器的频率发生与混合系统能够降低1.45×至1.94×能耗，并将传输比特误率（BER）稳定在0.02dB至0.21dB之间。这项研究表明，VO2忆阻器有望取代传统WIoT中的复杂CMOS频率生成与混合模块，为未来高能效WIoT系统设计带来新的优化思路。