CN113190208B

CN113190208B - 能存算一体化单元及状态控制方法、集成模组、处理器及设备

Info

Publication number: CN113190208B
Application number: CN202110498977.0A
Authority: CN
Inventors: 向勇; 张晓琨; 毛宇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: CN113190208A

Abstract

本发明提供的一种能存算一体化单元，该能存算一体化单元包括第一电极、第二电极和电解质，其中电解质设于第一电极与第二电极之间，可迁移带电粒子经由电解质在第二电极和第一电极之间迁移，基于可迁移带电粒子在第二电极中的含量变化得到对应的状态信息，从而使得能存算一体化单元的能量供给过程与信息处理过程耦合，有效降低了运算的功耗和时延，并提高了能量利用效率。本发明还提供一种集成模组、处理器、能存算一体化单元的状态控制方法及设备，均具有与前述的能存算一体化单元相同的有益效果。

Description

能存算一体化单元及状态控制方法、集成模组、处理器及设备

【技术领域】

本发明涉及电子技术领域，其特别涉及一种能存算一体化单元及状态控制方法、集成模组、处理器及设备。

【背景技术】

随着科技的发展，各种数据量暴增，进而对计算机的运算性能提出了更高的要求。计算和数据存储是计算机实现运算的基础。

对于运算而言，计算延迟、功耗、体积和可靠性是评估其性能指标的主要几大要素。传统的冯诺依曼计算架构采用存算分离的模式，数据需要在计算单元和存储单元之间频繁地搬运，造成除运算本身之外大量的能量消耗和时间延迟。因此，出现了忆阻器这种存算一体器件，一定程度减小了逻辑运算器件的体积和计算延迟。然而由于忆阻器完全靠外部电源提供的电流驱动，因此其功耗较大，限制了运算性能的提升。

【发明内容】

为了解决现有信息处理器能耗较大的问题，本发明提供一种能存算一体化单元及状态控制方法、集成模组、处理器及设备。

本发明为解决上述技术问题，提供如下的技术方案：一种能存算一体化单元，所述能存算一体化单元包括第一电极、第二电极和电解质，所述电解质设于所述第一电极与所述第二电极之间，可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移，基于所述可迁移带电粒子在所述第二电极中的含量变化得到对应的状态信息。

优选地，当所述可迁移带电粒子由所述第一电极向所述电解质、所述第二电极迁移时，所述能存算一体化单元处于信息处理状态；当所述可迁移带电粒子由所述第二电极向所述电解质、所述第一电极迁移时，所述能存算一体化单元处于充电状态。

优选地，所述状态信息为所述第二电极与所述第一电极之间的电势差。

优选地，所述能存算一体化单元进一步包括至少二个集流电极，至少一所述集流电极与所述第一电极电性连接，且至少一所述集流电极与所述第二电极电性连接。

优选地，所述第一电极等量可迁移带电粒子含量的变化导致的电势变化至少比所述第二电极的电势变化低一个数量级。

优选地，所述状态信息为所述第二电极的阻抗变化值。

优选地，所述能存算一体化单元进一步包括至少三个集流电极，其中二个所述集流电极分别与所述第二电极的相对两端电性连接，另一个所述集流电极与所述第一电极电性连接。

本发明为解决上述技术问题，提供又一技术方案如下：一种集成模组，所述集成模组包括至少二上述的所述能存算一体化单元，基于多个所述能存算一体化单元的状态信息执行信息处理功能。

本发明为解决上述技术问题，提供又一技术方案如下：一种处理器，用于对信号进行处理，所述处理器包括至少二上述的所述集成模组，所述处理器通过控制可迁移带电粒子在所述第二电极和所述第一电极之间的迁移，以实现储能功能和/或信息处理。

本发明为解决上述技术问题，提供又一技术方案如下：一种能存算一体化单元的状态控制方法，向如上述的所述能存算一体化单元提供执行指令，所述可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移，并获取所述第二电极中的所述可迁移带电粒子含量变化对应的状态信息。

优选地，所述执行指令包括储能信号，向所述能存算一体化单元提供储能信号，能存算一体化单元获取储能信号以使可迁移带电粒子由所述第二电极向电解质、第一电极迁移，以将可迁移带电粒子从第二电极中脱出。

本发明为解决上述技术问题，提供又一技术方案如下：一种能存算一体化设备，所述设备包括如上所述的处理器。

与现有技术相比，本发明所提供的一种能存算一体化单元及状态控制方法、集成模组、处理器及设备，具有如下的有益效果：

1.本发明所提供的能存算一体化单元，包括第一电极、第二电极和电解质，通过可迁移带电粒子经由电解质在第一电极与第二电极之间迁移，使得第二电极中可迁移带电粒子的含量变化，进而可得到对应的状态信息。即通过可迁移带电粒子在第二电极中的嵌入与脱出进行信息处理，同时由于可迁移带电粒子在第二电极中的嵌入与脱出亦为能量供给的过程，因此能存算一体化单元的信息处理与能量供给耦合。信息处理与能量供给耦合的方式能够大大提高能量的利用效率，从而使得该能存算一体化单元构成的集成模组功耗更低。此外，由于状态信息对应第二电极中的可迁移带电粒子的含量变化，因此即使该能存算一体化单元与外部能源断开连接，其第二电极中的可迁移带电粒子的含量亦保持不变，故该能存算一体化单元能够实现非易失性数据存储。此外，由于第二电极中的可迁移带电粒子的含量变化具有可逆性，因此该能存算一体化单元能够支撑非易失逻辑功能的实现，有效地降低逻辑运算的时延。此外，对应的能源可预先存储在能存算一体化单元中，当需要执行一个计算指令或者存储指令时，对应将对计算或存储提供能源供给的过程与其状态改变的过程进行耦合，即执行计算指令或者存储指令时无需外部提供驱动电流，因此该能存算一体化单元构成的处理器发热更少，从而能够使处理器的性能进一步提高。

2.在本发明所提供的能存算一体化单元中，基于可迁移带电粒子含量变化对第二电极与第一电极间的电势差影响或第二电极的阻抗大小影响，状态信息可为第二电极与第一电极之间的电势差或第二电极的阻抗大小。当状态信息为第二电极与第一电极之间的电势差时，至少一集流电极与第一电极电性连接，且至少一集流电极与第二电极电性连接，通过集流电极对第二电极与第一电极之间的电势差进行测量，则根据电势差的大小，可得到对应状态信息。二集流电极分别与第一电极和第二电极连接的方式使得对第一电极和第二电极之间的电势差的测量更加准确。当状态信息为第二电极的阻抗时，二个集流电极分别与第二电极的相对两端电性连接，另一个集流体与第一电极电性连接，此连接方式使得能够准确测量到第二电极的阻抗大小。由此可见，能存算一体化单元对应的状态信息为第二电极与第一电极间的电势差或第二电极的阻抗，使得能存算一体化单元的使用方式和功能更多样化。

3.在本发明所提供的能存算一体化单元中，第一电极等量可迁移带电粒子含量的变化导致的电势变化至少比第二电极的电势变化低一个数量级，即当一定量的可迁移带电粒子从第一电极和第二电极中的一个脱出而迁移至另外一个中时，第二电极的电势变化远大于第一电极的电势变化，即相对于第二电极的电势变化大小，第一电极的电势变化大小可忽略不计。也即，与第二电极相比，第一电极的电势大小相对稳定。第一电极与第二电极的该电势变化性质，使得能存算一体化单元的第一电极与第二电极之间的电势差更易识别，也即能存算一体化单元的状态信息更易识别，从而提高了能存算一体化单元的实用性。

4.本发明还提供一种集成模组，该集成模组包括至少二上述的能存算一体化单元，因此该集成模组具有与上述一种能存算一体化单元相同的有益效果，在此不做赘述。此外，通过将多个能存算一体化单元按所需布局集成为一个集成模组，使得该集成模组能够通过多个能存算一体化单元的状态信息执行信息处理功能，同时由于能存算一体化单元可预先储存能源，且信息处理过程与能量变化过程耦合，故使得集成模组执行信息处理功能时无需额外提供电能源，提高了集成模组的能量利用率。此外，能量供给与信息处理耦合的设计使得集成模组体积更小，大大提供了空间利用率。此外，由于集成模组中的各能存算一体化单元的状态信息集合能够同时承载计算功能和数据存储功能，故该集成模组能够使数据存储与计算为一体，使得集成模组在进行计算时减少了数据调用的过程，进而有效加快了集成模组的运算速度，降低了能量消耗。

5.本发明还提供一种处理器，具有与上述一种集成模组相同的有益效果，在此不做赘述。

6.本发明还提供一种能存算一体化设备，具有与上述一种集成模组相同的有益效果，在此不做赘述。

7.本发明还提供一种能存算一体化单元的状态控制方法，具有与上述一种能存算一体化单元相同的有益效果，在此不做赘述。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例提供的一种能存算一体化单元的立体结构示意图。

图2是图1中所示能存算一体化单元中可迁移带电粒子迁移的示意图之一。

图3是图1中所示能存算一体化单元中可迁移带电粒子迁移的示意图之二。

图4是本发明第二实施例提供的能存算一体化单元的立体结构示意图。

图5是图4中所示能存算一体化单元中可迁移带电粒子迁移的示意图之一。

图6是图5中所示第二电极中可迁移带电粒子的含量与电势差之间的关系示意图。

图7是图4中所示能存算一体化单元中可迁移带电粒子迁移的示意图之二。

图8是图4中所示能存算一体化单元中可迁移带电粒子迁移的示意图之三。

图9是图4中所示能存算一体化单元中集流电极另一种结构的结构示意图。

图10是本发明第三实施例提供的一种能存算一体化单元的立体结构示意图。

图11A是图10中所示第二电极中可迁移带电粒子的含量与阻抗之间的关系示意图一。

图11B是图10中所示第二电极中可迁移带电粒子的含量与阻抗之间的关系示意图二。

图12是图10中所示能存算一体化单元中设置三个集流电极的结构示意图。

图13是本发明第四实施例提供的一种集成模组的结构示意图。

图14是图13中所示能存算一体化单元的结构示意图。

图15是本发明第五实施例提供的一种处理器的结构示意图。

图16是本发明第六实施例提供的一种具有上述处理器的设备的结构示意图。

图17是本发明第七实施例提供的能存算一体化单元的状态控制方法的步骤流程示意图。

图18是本发明第八实施例提供的能存算一体化单元制造方法的步骤流程示意图之一。

图19是本发明第八实施例提供的能存算一体化单元制造方法的步骤流程示意图之二。

图20是本发明第八实施例提供的能存算一体化单元制造方法的步骤流程示意图之三。

图21是本发明第八实施例提供的能存算一体化单元制造方法的步骤流程示意图之四。

附图标识说明：

1、能存算一体化单元；11、第一电极；12、第二电极；13、电解质；19、可迁移带电粒子；

2、能存算一体化单元；21、第一电极；22、第二电极；23、电解质；24、集流电极；29、可迁移带电粒子；291、锂离子；

3、能存算一体化单元；31、第一电极；32、第二电极；33、电解质；34、集流电极；39、可迁移带电粒子；

4、集成模组；5、处理器；6、设备。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种能存算一体化单元1，所述能存算一体化单元1包括第一电极11、第二电极12和电解质13，所述电解质13设于所述第一电极11与所述第二电极12之间。可以理解，在第一电极11、所述第二电极12内均包括可嵌入或脱嵌的可迁移带电粒子19。其中，可迁移带电粒子19可带有正电荷或者负电荷，也即，可迁移带电粒子19可以是离子、带电基团、极化的偶极子粒子、带有净电荷的微尺度颗粒等。在本实施例中，可迁移带电粒子19为可迁移离子，以电子的激发态同时做为信息处理和能源的载体。具体地，所述能存算一体化单元1的不同运行状态，所述可迁移带电粒子19可经由所述电解质13以实现在所述第一电极11和所述第二电极12之间迁移。进一步地，可基于所述可迁移带电粒子19在所述第二电极12中的含量变化得到对应的状态信息。进一步地，还可以结合一个或多个能存算一体化单元1获取得到的状态信息进行信息处理，具体地，信息处理包括信息计算、数据存储。

上述状态信息可包括基于第二电极12中可迁移带电粒子19的含量变化而变化的电势、阻抗值等信息。

在本实施例中，所述第一电极11能够提供可迁移带电粒子19，所述第一电极11的使用要满足在运行状态下，其电势较为稳定。具体地，可以理解为对应的第一电极11在获得可迁移带电粒子19或者失去可迁移带电粒子19的时候，其电势基本不变或仅在一定预设范围之内波动，也即，也可表述为其电势变化应该稳定在预设区域范围之内。

对应第二电极12而言，为了满足状态信息的便于检测的需求，则对应可迁移带电粒子的嵌入或者脱嵌都会导致其对比的电势或阻抗值发生显著的变化。

进一步地，在本实施例中，第一电极11为对电极，第二电极12为工作电极。

以所述状态信息为与第一电极11、第二电极12对应的电势信号为例，为了使所述能存算一体化单元1的状态信息获取更准确，则所述第一电极11等量可迁移带电粒子19含量的变化导致的电势浮动至少比所述第二电极12低一个数量级。也即，与第二电极12相比，第一电极11的电势大小相对稳定。

进一步地，在本实施例一些更具体的实施方式中，所述第一电极11可包括但不受限于如Li、LiMnO₂、LiCoO₂，LiFePO₄等中任一种或其组合。

所述第二电极12可包括但不受限于C、Cu、Ni、Ti、Ag、Sn、Si、Zn、Au等金属薄膜，或Ag/C、Zn/Sn、Au/Si等复合薄膜，或MoS₂，WS₂，VS₂，MoSe₂，WSe₂，VSe₂，MoTe₂，WTe₂，VTe₂等二维材料，或Mxene类材料等。特别地，当所述第一电极11为Li时，则对应的所述第二电极12可包括LiMnO₂、LiCoO₂，LiFePO₄等。

所述电解质13的材质可包括但不受限于：如Li₃N、硫化物固体电解质、无定形硼酸盐(Li₂O-B₂O₃–SiO₂)、硅酸盐(Li₂O-V₂O₅-SiO₂)、LiPON、Li3_xLa_2/3-xTiO₃(LLTO)，LiNbO₃、LiTaO、Li_1+xMxTi_2-x(PO₄)₃(LATP)、Li₃OCl、Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)中任一种等。

进一步地，为了满足所述能存算一体化单元1储能功能或信息处理功能，则所述第一电极11、第二电极12以及电解质13应当满足一定厚度。具体地，所述第一电极11的厚度范围包括1nm-100μm；所述第二电极12的厚度范围包括1nm-100μm；所述电解质13的厚度范围包括1nm-10μm。优选的，第一电极11的厚度范围包括1nm-1000nm。

请参阅图2及图3，本实施例所提供的能存算一体化单元1的运行原理做进一步的说明如下：可迁移带电粒子19在第二电极12中时所处电化学势，相对可迁移带电粒子19处于第一电极11中时更高。当可迁移带电粒子19由所述第一电极11向电解质13、第二电极12迁移时，所述能存算一体化单元1处于放电状态，宏观上体现为可迁移带电粒子19从第一电极11到第二电极12，放电状态对应所述第二电极12中的可迁移带电粒子19含量的增大而产生状态信息。

具体地，以所述第一电极11为锂金属，所述第二电极12为二硫化钼为例，其中，可迁移带电粒子19为锂离子。从微观层面上，在放电过程中，所述能存算一体化单元1所产生的能量是由于锂离子与二硫化钼所形成的物质中，二硫化钼中的钼会变价进而产生能量。具体地，锂离子原本为正一价，对应的锂离子与二硫化钼在结合时，二硫化钼中的钼就会降低一价；具体在钼降低一价的过程中，其体现为对应的电子从一个能级移动到另一个能级并释放出对应的能量。因此，由于二硫化钼中钼的价态变化，且对应嵌入锂的二硫化钼的电势也对应显著地改变，其体现出来所述能存算一体化单元1在放电前后明显的电势差异，因此，第一电极11与第二电极12之间的电势差也会对应发生变化。

如图3中所示，当可迁移带电粒子由所述第二电极12向电解质13、第一电极11迁移时，所述能存算一体化单元处于充电状态，也即，宏观上体现为可迁移带电粒子从第二电极12到第一电极11。处于此状态时，所述能存算一体化单元1不仅可以存储电能源，也可基于所述第二电极12中可迁移带电粒子含量的减小，而对应产生状态信息。

可见，在本实施例所提供的能存算一体化单元1中，对应的能源可预先存储在第一电极11、电解质13及第二电极12所形成的电化学能源结构中。当需要执行一个计算指令或者存储指令时，对应将对计算或存储提供能源供给的过程与其状态改变的过程进行耦合。

在本实施例中，所述能存算一体化单元1本身信息处理无需额外提供电能源，其是利用第一电极11、电解质13及第二电极12所形成的电化学电池结构中存储的电能源，以及在可迁移带电粒子19移动的过程之中所对应的第二电极12的状态变化，并基于该状态变化本身来对应的不同的状态信息来做信息处理。

请参阅图4，本发明第二实施例提供一种能存算一体化单元2，对应的所述能存算一体化单元2与上述第一实施例所述的能存算一体化单元1相比，其中状态信息为第一电极21与第二电极22之间的电势差。为了更好地对第一电极21与第二电极22的电势进行获取及监测，则能存算一体化单元2还包括至少二个集流电极24，其中至少一集流电极24与第一电极21电性连接，且至少一集流电极24与第二电极22电性连接。通过集流电极24对第二电极22与第一电极21之间的电势差进行测量，则根据电势差值的大小，可得到对应状态信息。

具体地，当可迁移带电粒子29由第一电极21向电解质23、第二电极22迁移时，能存算一体化单元2处于放电状态(也即为信息处理状态)；当可迁移带电粒子29由第二电极22向电解质23、第一电极21迁移时，能存算一体化单元2处于充电状态。其中，信息处理状态相当于通过能存算一体化单元的进行数据存储和/或数据计算。

可以理解地，能存算一体化单元2通过可迁移带电粒子29经由电解质23在第二电极22与第一电极21之间迁移同时进行能量储存和信息处理，或，同时进行能量释放和信息处理。即能存算一体化单元2的信息处理过程也即能量变化过程，因此能存算一体化单元2能够使信息处理与能量供给功能融合为一体，无须再额外设置外接电源来驱动能存算一体化单元2，从而使得信息处理的能耗大大降低。

具体地，在本实施例中，以可迁移带电粒子为锂离子为例，由提供一执行指令至能存算一体化单元2，其中，执行指令可包括储能信号、信息处理信号等。进行具体说明：

结合图5及图6中所示，当执行指令为储能信号时，能存算一体化单元2处于充电状态，锂离子291由第二电极22经电解质23迁移至第一电极21中，能存算一体化单元2储存能量。随着第二电极22中的锂离子291含量降低，第二电极22与第一电极21之间的电势差E(如图6中E所示)增大。其中，在此实施例中，状态信息即为第二电极22与第一电极21之间的电势差E。

进一步地，可迁移带电粒子291嵌入第二电极22或从第二电极22中脱嵌的过程中，存在至少两种状态，如图6中的状态一及状态二，在这至少两种状态下，第二电极22中的可迁移带电粒子291含量不相同，第二电极22中的可迁移带电粒子291含量与第一电极21和第二电极22之间的电势差E为一一对应关系。可以理解，这些状态的数量可以是2个、3个、4个、5个、甚至更多个，可以根据实际设计需要灵活选择。

需要说明的是，“一一对应关系”指的是这至少两种状态下第二电极22中的可迁移带电粒子291含量是不相同的，而这两种状态的第二电极22中的可迁移带电粒子291含量对应的第一电极21和第二电极22之间的电势差E也是不同的。

这样的话，就可以利用这至少两种状态下的第一电极21和第二电极22之间的电势差E来分别表征这至少两种状态，即可以通过第一电极21和第二电极22之间的电势差E来区分这至少两种状态，那么就可以借助这至少两种状态间的转换来完成计算，比如“0、1计算”，也可以借助这至少两种状态间的转换实现信息的存储和表征。将大量的由第一电极21、电解质23和第二电极22三者构成的能算存一体化单元2进行集成，就能够完成复杂的运算工作和信息储存工作。

进一步地，当执行指令为信息处理信号时，能存算一体化单元2处于信息处理状态，根据信息处理信号可分为以下两种情形：

如图7中所示，信息处理信号对应的指令使锂离子291由第一电极21经电解质23迁移至第二电极22中，此时，信息处理信号对应的状态信息为第一电极21与第二电极22之间的电势差E，电势差E逐渐减小。即，能存算一体化单元2可释放能量，同时基于电势差E的减少即可获得对应变化的状态信息。基于状态信息可进一步实现对数据存储和/或数据计算。

如图8中所示，信息处理信号对应的指令使锂离子291由第二电极22经电解质23迁移至第一电极21中，此时，信息处理信号对应的状态信息为第一电极21与第二电极22之间的电势差E，电势差E逐渐增大。即，能存算一体化单元2可储存能量，同时基于电势差E的增大即可获得对应变化的状态信息。此时进入能存算一体化单元2的能量，可以来自另一处于放电状态的能存算一体化单元或外部能源。基于状态信息也可进一步实现对数据存储和/或数据计算。

通过以上设计，在一定的锂离子291含量变化范围内，第二电极22中锂离子291含量与第一电极21、第二电极22之间的电势差E是一一对应的关系，那么就可以从中挑选出多个不同的状态，来作为进行计算和存储的依据，这突破了传统晶体管只有两种状态的限制。

这些挑选出的多个不同状态对应的第二电极22中锂离子291含量、两个电极间电势差E都是不同的，且是连续的单调变化关系，即第二电极22中锂离子291含量和电极间电势差E都是连续单调变化的，这样的话，第二电极22中锂离子第二电极291含量在变化前后是具有可追溯性的，第二电极22中锂离子291含量一旦变化，电极间电势差E就会变得不同，且在该一一对应的单调变化关系范围内，并不存在另一个电势差与其相等的点，也就是说，每一个状态都具有单独性。这样的话，能存算一体化单元2对于通过它的电荷是具有“记忆”功能的，即根据其在状态变化前后的电势差E，能够反应出通过其的电荷量和电荷通过时的运动方向，实现对信息或变化过程的“记忆”。不仅可以用于计算，也可以用于数据存储，还可以记录信息变化过程，实现了能源、计算、数据存储一体化的同时，具备对通过它的电荷的记忆特性，具有用于搭建神经网络的潜力。

在本实施例中，基于集流电极24的设置，可以更精准地获得能存算一体化单元的中第一电极21与第二电极22之间的电势差的变化。进而可使能存算一体化单元能够实现非易失性数据存储和计算功能一体化，还可使能存算一体化单元的信息处理性能有效提高。

在本实施例一些具体实施方式中，如图9中所示，所述集流电极24还可分别设置在所述第一电极21、第二电极22远离所述电解质23的一侧。在本实施例及其对应附图中所示所述集流电极24的具体结构及其设置的位置仅作为示例，不作为本发明的限定。

请参阅图10，本发明第三实施例提供一种能存算一体化单元3，能存算一体化单元3包括第一电极31、第二电极32和电解质33，电解质33设于第一电极31与第二电极32之间，第三实施例与第一实施例提供的能存算一体化单元1和第二实施例提供的能存算一体化单元2之间的区别在于：状态信息为第二电极32的阻抗Z。

可以理解，随着第二电极32中可迁移带电粒子391的嵌入或脱嵌，在第二电极32中的可迁移带电粒子391的含量也会随之变化。如图11A及图11B中所示，第二电极32的阻抗Z随着第二电极32中可迁移带电粒子391的含量增大而变化，该变化可为增大或减小，在此不做限定。

进一步地，可迁移带电粒子391嵌入第二电极32或从第二电极32中脱嵌的过程中，存在至少两种状态，如图11A中的状态一及状态二，或，图11B中的状态一及状态二，在这至少两种状态下，第二电极32中的可迁移带电粒子391含量不相同，第二电极32中的可迁移带电粒子391含量与第一电极31和第二电极32之间的阻抗Z大小为一一对应关系。可以理解，这些状态的数量可以是2个、3个、4个、5个、甚至更多个，可以根据实际设计需要灵活选择。

具体地，在本实施例中，将可迁移带电粒子为锂离子为例，对应第二电极32的阻抗Z的大小与可迁移带电粒子391的迁移路径关系如下:

可迁移带电粒子391(锂离子)由第一电极31经电解质33迁移至第二电极32中，第二电极32中的可迁移带电粒子391的含量变化，使所述第二电极32的阻抗Z变化。基于含有阻抗Z的状态信息，能存算一体化单元3可进一步用于执行数据存储和数据计算的操作；进一步地，随着可迁移带电粒子391由第一电极31经电解质33迁移至第二电极32中，则对应的能存算一体化单元3可为释放能量的状态。

结合图10、图11A及图11B中所示，可迁移带电粒子391(锂离子)由第二电极32经电解质33迁移至第一电极31中，第二电极32中的可迁移带电粒子391的含量变化，使所述第二电极32的阻抗Z变化。基于含有阻抗Z的状态信息，能存算一体化单元3可进一步用于执行数据存储和数据计算的操作；进一步地，随着可迁移带电粒子391由第二电极32经电解质33迁移至第一电极31中，则对应的能存算一体化单元3可为存储能量的状态。

结合图12中所示，为了使所述能存算一体化单元3可输出与第二电极的阻抗Z对应的状态信息，则在所述能存算一体化单元3内还需要设置三个集流电极34。其中，两个所述集流电极34分别与所述第二电极32的相对两端电性连接，另一个所述集流电极34可与第一电极31实现电性连接，从而可形成三端器件。基于集流电极34可获得第二电极的阻抗Z。

请参阅图13，本发明第四实施例提供一种集成模组4，所述集成模组4可相当于现有技术中对信息进行计算和/或存储的基本器件单元，如逻辑门电路、存储单元或神经形态的计算单元。在本实施例中，所述集成模组4包括至少二能存算一体化单元1，基于多个能存算一体化单元1的状态信息执行信息处理功能。其中，能存算一体化单元1具体为第一实施例至第三实施例中所述能存算一体化单元。

进一步地，所述集成模组4的信息处理功能具体为计算和/或数据存储。通过将多个能存算一体化单元1按所需布局集成为一个集成模组4，使得该集成模组4能够通过多个能存算一体化单元1的状态信息执行信息处理功能，同时由于能存算一体化单元1可预先储存能源，且信息处理过程与能量变化过程耦合，故使得集成模组4执行信息处理功能时无需额外提供电能源。

具体地，基于所需布局集成对应集成模组4可以进一步理解为：当所述集成模组4需要作为加法器进行使用并执行数据处理功能时，则可基于需要将多个能存算一体化单元1进行组合布局以执行加法器的功能。当所述集成模组4需要作为减法器进行使用并执行数据处理功能时，则可基于需要将多个能存算一体化单元1进行组合布局以执行减法器的功能。

进一步地，集成模组4接收信息处理信号，当信息处理信号为存储处理信号时，集成模组4执行数据存储功能；当信息处理信号为计算处理信号时，集成模组4执行计算功能；当信息处理信号为存算处理信号时，集成模组4执行数据存储和计算功能。

进一步地，当集成模组4执行数据存储功能时，根据待存储的数据，结合图13及图14，各能存算一体化单元1中一定量的可迁移带电粒子19相应从第二电极12迁移至第一电极11或从第一电极11迁移至第二电极12，则各第二电极12中的可迁移带电粒子19的含量相应变化，可得到各能存算一体化单元1对应的状态信息。即，对于一信息处理信号，各能存算一体化单元1对应有一状态信息。由此，各能存算一体化单元1配合将数据存储于集成模组4中。当读取该集成模组4中的数据时，识别并综合各能存算一体化单元1的状态信息，就可得到对应的数据。由此，集成模组4实现了数据存储功能。

进一步地，由于能存算一体化单元1接收一存储处理信号后第二电极中的可迁移带电粒子19对应变化，并且在下一次接收到信息处理信号之前能存算一体化单元1保持此状态，因此能存算一体化单元1的数据存储模式为非易失性存储，故集成模组4执行数据存储功能时，亦为非易失性存储。

进一步地，当集成模组4执行计算功能时，多个能存算一体化单元1配合实现计算功能。具体地，至少一能存算一体化单元1接收该计算处理信号且该能存算一体化单元1的第二电极12中的可迁移带电粒子19含量相应变化，将该第二电极12的状态信息传递至信号连接的另一能存算一体化单元1，则另一能存算一体化单元1根据该状态信息执行相应动作，经过至少一次以上状态信息的传递后完成计算并输出至少一个最终状态信息，该最终状态信息即计算功能完成后的结果。也即，集成模组4接收计算处理信号后，各能存算一体化单元1按照布局先后动作的过程即为计算执行过程，该集成模组4的至少一个最终状态信息即为计算完成的结果。由此，集成模组4可实现所设定的计算功能。示例性地，集成模组4可为逻辑门电路或神经形态计算单元。

进一步地，当集成模组4同时执行数据存储和计算功能时，各能存算一体化单元1的计算过程与数据存储过程耦合。根据存算处理信号，集成模组4中的各能存算一体化单元1根据布局先后动作并得到至少一最终状态信息的过程为计算过程。同时，在计算过程中每一能存算一体化单元1对应有一状态信息，即多个能存算一体化单元1在计算过程中同时将数据存储与集成模组4中。当读取该集成模组4中的数据时，识别并综合各能存算一体化单元1的状态信息，就可得到对应的数据。即，对于该存算处理信号，各能存算一体化单元1根据布局先后动作的过程同时为执行计算功能的过程和执行数据存储功能的过程。由此，集成模组4实现了数据计算过程与数据存储过程的耦合。

可以理解地，集成模组4执行信息处理功能时，集成模组4中各能存算一体化单元1的第二电极12中可迁移带电粒子19的含量的变化过程同时承载了能源供给和信息处理，因此集成模组4执行计算功能和/或数据存储功能时，无需外部再提供驱动能源，故集成模组的信息处理能耗有效减小。

请参阅图15，本发明第五实施例提供一种处理器5，处理器包括至少二第四实施例中的集成模组4，处理器5通过控制组成集成模组4的能存算一体化单元1中的可迁移带电粒子在第二电极和第一电极之间的迁移，以实现信息处理。

进一步地，集成模组4为实现计算功能或数据存储功能的基本单元，多个集成模组4按所需布局连接，即可实现复杂计算及大量数据的存储。

示例性地，处理器5为中央处理器，该中央处理器包括多个集成模组4。其中的集成模组4为可实现与、或、非、与非、或非中一种逻辑的逻辑门，多个集成模组4组合即可完成复杂的逻辑计算。

示例性地，处理器5为存储器、中央处理器或神经形态的计算器。

请参阅图16，本发明第六实施例提供一种能存算一体化设备6，所述设备6可使用该处理器5进行数据存储、信息计算或控制功能。所述设备6可为超算设备、电动车、便携电子设备、飞行装置等现有需要使用计算芯片、存储芯片的电子设备。

请参阅图17，本发明第七实施例提供能存算一体化单元的状态控制方法S70，其包括以下步骤：

步骤S1，向所述能存算一体化单元提供执行指令；

步骤S2，基于执行指令，可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移；及

步骤S3，获取所述第二电极中所述可迁移带电粒子的含量变化对应的状态信息。

其中，所述能存算一体化单元的相关限定可基于

在上述步骤S1中，所述执行指令包括信息处理信号及储能信号等，其中信息处理信号进一步为存储处理信号、计算处理信号或存算处理信号。对应的执行指令可通过电流输入，执行指令可由指令集发出，指令集的应用类似于现有的加法器、减法器或者与非门的控制，并可具体与操作系统做结合而获得。在本实施例另外的实施方式中，所述执行指令还可为其他电信号、光信号等等。

在上述步骤S2中，所述基于执行指令，可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移，可理解为：

当可迁移带电粒子由所述第二电极向电解质、第一电极迁移时，所述能存算一体化单元处于充电状态，宏观上体现为可迁移带电粒子从第二电极到第一电极，充电状态对应所述第二电极的可迁移带电粒子含量的变化而产生状态信息；或

当可迁移带电粒子由所述第一电极向电解质、第二电极迁移时，所述能存算一体化单元处于放电状态，也即，宏观上体现为可迁移带电粒子从第一电极到第二电极。处于此状态时，所述能存算一体化单元不仅可以释放电能源，也可基于所述第二电极中可迁移带电粒子含量的变化，而对应产生状态信息。

具体地，可基于所述执行指令的类型，从而控制所述可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移的方向。例如，当向所述能存算一体化单元提供储能信号时，则所述能存算一体化单元获取储能信号后，可使可迁移带电粒子由所述第二电极经由电解质迁移至第一电极中。

在上述步骤S3中，上述状态信息可包括基于第二电极中可迁移带电粒子的含量变化而变化的电势或阻抗值等信息。

请参阅图18、图19及图20，本发明第八实施例提供一种能存算一体化单元的制造方法P80，其包括以下步骤：

步骤P1A，提供一基底，依次在基底上形成第二电极、电解质及第一电极；或

步骤P1B，提供一基底，依次在基底上形成第一电极、电解质或第二电极；或

步骤P1C，提供一固体电解质，在固体电解质的相对两表面形成第一电极及第二电极；以及

步骤P2，形成与第一电极、第二电极分别电性连接的集流电极。

其中，有关第一电极、电解质、第二电极的相关内容说明如本发明第一实施例中所述，在此不再赘述。其中，对应基底可选用如硅基底等等。对应形成第一电极、电解质或第二电极可包括如溅射、蒸镀、气相沉积、喷涂、光刻等方式。

在本实施例另外的实施方式中，在上述步骤P1A或步骤P1B提供一基底之后，并在基底上形成电极之前，还可包括：

在基底上形成集流电极层。

对应的第二电极或第一电极可形成在集流电极层之上，且所述集流电极层可与对应第二电极或第一电极的集流电极电性导通。

请参阅图21，在本实施例另外的一些实施方式中还可包括所述能存算一体化单元的制造方法T10，还可包括如下步骤：

步骤T1，提供一基底，在基底上形成分离设置的阴极集电极和阳极集电极；

步骤T2A，在阴极集电极上形成第二电极后，形成覆盖第二电极的电解质，并在电解质未与第二电极接触的至少一表面形成第一电极，第一电极与阳极集电极电连接；或

步骤T2B，在阳极集电极上形成第一电极后，形成覆盖第一电极的电解质，并在电解质未与第一电极接触的至少一表面形成第二电极，第二电极与阴极集电极电连接。

基于上述的制造方法，可满足多种材质的能存算一体化单元的制备需求，从而可提高所述能存算一体化单元的适用范围。

在本发明所提供的实施例中，应理解，“与A对应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在本发明的附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方案中，方框中所标注的功能也可以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，在此基于涉及的功能而确定。需要特别注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上对本发明实施例公开的一种能存算一体化单元进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能存算一体化单元，其特征在于：所述能存算一体化单元包括第一电极、第二电极和电解质，所述电解质设于所述第一电极与所述第二电极之间，可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移，对应的能存算一体化单元为存储能量或释放能量的状态；基于所述可迁移带电粒子在所述第二电极中的含量变化得到对应的状态信息，所述状态信息为所述第二电极与所述第一电极之间的电势差或所述第二电极的阻抗大小；结合状态信息进行信息处理，信息处理包括信息计算和数据存储。

2.如权利要求1所述的能存算一体化单元，其特征在于：当所述可迁移带电粒子由所述第一电极向所述电解质、所述第二电极迁移时，所述能存算一体化单元处于信息处理状态；当所述可迁移带电粒子由所述第二电极向所述电解质、所述第一电极迁移时，所述能存算一体化单元处于充电状态。

3.如权利要求1所述的能存算一体化单元，其特征在于：所述状态信息为所述第二电极与所述第一电极之间的电势差。

4.如权利要求2所述的能存算一体化单元，其特征在于：所述能存算一体化单元进一步包括至少二个集流电极，至少一所述集流电极与所述第一电极电性连接，且至少一所述集流电极与所述第二电极电性连接。

5.如权利要求3所述的能存算一体化单元，其特征在于：所述第一电极等量可迁移带电粒子含量的变化导致的电势变化至少比所述第二电极的电势变化低一个数量级。

6.如权利要求1所述的能存算一体化单元，其特征在于：所述状态信息为所述第二电极的阻抗变化值。

7.如权利要求2所述的能存算一体化单元，其特征在于：所述能存算一体化单元进一步包括至少三个集流电极，其中二个所述集流电极分别与所述第二电极的相对两端电性连接，另一个所述集流电极与所述第一电极电性连接。

8.一种集成模组，其特征在于：所述集成模组包括至少二个如权利要求1-7中任一项所述能存算一体化单元，基于多个所述能存算一体化单元的状态信息执行信息处理功能。

9.一种处理器，用于对信号进行处理，其特征在于：所述处理器包括至少二个如权利要求8中所述集成模组，所述处理器通过控制可迁移带电粒子在所述第二电极和所述第一电极之间的迁移，以实现储能功能和/或信息处理。

10.一种能存算一体化单元的状态控制方法，其特征在于：向如权利要求1-7中任一项所述能存算一体化单元提供执行指令，所述可迁移带电粒子经由所述电解质在所述第二电极和所述第一电极之间迁移，并获取所述第二电极中的所述可迁移带电粒子含量变化对应的状态信息。

11.如权利要求10中所述能存算一体化单元的状态控制方法，其特征在于：所述执行指令包括储能信号，向所述能存算一体化单元提供储能信号，能存算一体化单元获取储能信号以使可迁移带电粒子由所述第二电极向电解质、第一电极迁移，以将可迁移带电粒子从第二电极中脱出。

12.一种能存算一体化设备，其特征在于：所述设备包括权利要求9中的所述处理器。