憶阻器
憶阻器，全稱記憶電阻器(Memristor)，是一種具有記憶功能的非線性電阻，使用電子關(guān)聯(lián)度強的材料(例如過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物等)電阻的變化可以通過電流的變化來控制：從一個方向向材料施加壓力的電壓脈沖可以使材料具有高電阻。從另一個方向施加電壓脈沖將使材料變成低電阻值。運用阻值高、兩個低狀態(tài)可以存儲數(shù)據(jù)。
通過測量憶阻器的電阻，可以知道流過它的電荷量，從而具有記憶電荷的功能。基于憶阻器的隨機存儲器的集成度功耗和讀寫速度都優(yōu)于傳統(tǒng)的隨機存儲器。另外，憶阻器是用硬件實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸的最佳方式。由于憶阻器的非線性特性，可以產(chǎn)生混沌電路，混沌電路在保密通信中有很多應(yīng)用。
Memristor，記憶電阻的全稱，從這兩個字就能大致搞清楚它的作用。第一個提出憶阻器概念的人是在美國柏克萊大學(xué)任教的中國科學(xué)家蔡少棠。時間是 19713356，學(xué)習(xí)收費、電流、當(dāng)電壓和磁通量的關(guān)系時，在加州大學(xué)伯克利分校任教的蔡教授推斷電阻、除了電容和電感，應(yīng)該還有一個分量，代表電荷和磁通量的關(guān)系。這個元件的作用是它的電阻會隨著通過它的電流量而變化，即使電流停止，它的電阻仍然會停留在之前的值，直到它接收到反向電流。
簡而言之，憶阻器是一種具有記憶功能的非線性電阻。它的電阻可以通過控制電流的變化來改變?nèi)绻唠娮瓒x為“1”，低阻值定義為“，電阻器可以實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。實際上，它是一個具有記憶功能的非線性電阻。
用常見的水管打個比方，當(dāng)電流是通過的水量，阻力是水管的粗細時，當(dāng)水向一個方向流動時，水管會隨著水流越來越粗此時，如果關(guān)閉水流，水管的厚度將保持不變；反之，當(dāng)水流方向相反時，水管會越來越細。因為這樣的組件將「記住」以前的電流量，所以叫憶阻器。
由于憶阻器小尺寸、低能耗，因此它能很好地存儲和處理信息。一個憶阻器的工作量相當(dāng)于一個CPU芯片中十幾個晶體管的效用。
發(fā)展過程 編輯本段
提出
蔡教授之所以提出憶阻器，只是因為在數(shù)學(xué)模型上它應(yīng)該是存在的。為了證明可行性，他用一堆電阻、電容、電感和放大器做出了一個模擬憶阻器效果的電路，當(dāng)時并沒有找到什么材料本身就有明顯的憶阻器的效果，也沒有人在找，處于連集成電路剛起步不久的階段，離家用電腦普及還有至少15年的時間，這時候 HP 就登場了。
研究
HP 關(guān)于憶阻器的發(fā)現(xiàn)在 2008 年時發(fā)表于自然期刊，2009 年證明了Cross Latch的系統(tǒng)很容易就能堆棧，形成立體的內(nèi)存。技術(shù)每個電線間的開關(guān)大約是 3nm x 3nm 大，開關(guān)切換的時間小于0.1ns，整體的運作速度已和 DRAM差不多，但是開關(guān)次數(shù)還不如DRAM-- 還不足以取代 DRAM，但是靠著1 cm2 100 gigabit（GB）， 1cm3 1 petabit（數(shù)據(jù)存儲單位1PB=1000TB）（別忘了它是可以堆棧的）的驚人潛在容量，干掉閃存是綽綽有余的。
但是 Crossbar Latch 可不止用來儲存數(shù)據(jù)而已。它的網(wǎng)格狀設(shè)計，和每個交叉點間都有開關(guān)，意味著整組網(wǎng)格在某些程度上是可以邏輯化的。在原始的Crossbar Latch論文中就已經(jīng)提到了如何用網(wǎng)格來模擬AND、OR和NOT三大邏輯閘，幾個網(wǎng)格的組合甚至可以做出加法之類的運算。這為擺脫晶體管進到下一個世代開了一扇窗，很多人認為憶阻器電腦相對于晶體管的躍進，和晶體管相對于真空管的躍進是一樣大的。另一方面，也有人在討論電路自己實時調(diào)整自己的狀態(tài)來符合運算需求的可能性。這點，再搭配上憶阻器的記憶能力，代表著運算電路和記憶電路將可同時共存，而且隨需要調(diào)整。這已經(jīng)完全超出了這一代電腦的設(shè)計邏輯，可以朝這條路發(fā)展下去的話，或許代表著新一代的智慧機器人的誕生。
憶阻器和Crossbar Latch的組合代表的是電腦科技的全新進展，或許能讓我們再一次延續(xù)摩爾定律的生命，朝向被機器人統(tǒng)治的未來前進。
惠普實驗室的研究人員認為RRAM就是Chua所說的憶阻器，其報道的基于TiO2的RRAM器件在2008年5月1日的《自然》期刊上發(fā)表。加州大學(xué)伯克利分校教授蔡少棠，1971年發(fā)表《憶阻器：下落不明的電路元件》論文，提供了憶阻器的原始理論架構(gòu)，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。惠普實驗室的論文則以《尋獲下落不明的憶阻器》為標題，呼應(yīng)前人的主張。蔡少棠接受電話訪問時表示，當(dāng)年他提出論文后，數(shù)十年來不曾繼續(xù)鉆研，所以當(dāng)惠普實驗室人員幾個月前和他聯(lián)系時，他吃了一驚。
RRAM可使手機將來使用數(shù)周或更久而不需充電；使個人電腦開機后立即啟動；筆記型電腦在電池耗盡之后很久仍記憶上次使用的信息。憶阻器也將挑戰(zhàn)掌上電子裝置內(nèi)普遍使用的閃存，因為它具有關(guān)閉電源后仍記憶數(shù)據(jù)的能力。RRAM將比今日的閃存更快記憶信息，消耗更少電力，占用更少空間。憶阻器跟人腦運作方式頗為類似，惠普說或許有天，電腦系統(tǒng)能利用憶阻器，像人類那樣將某種模式（patterns）記憶與關(guān)聯(lián)。
RRAM為制造非易失性存儲設(shè)備、即開型PC、更高能效的計算機和類似人類大腦方式處理與聯(lián)系信息的模擬式計算機等鋪平了道路，未來甚至可能會通過大大提高晶體管所能達到的功能密度，對電子科學(xué)的發(fā)展歷程產(chǎn)生重大影響。
研究人員表示，憶阻器器件的最有趣特征是它可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量。蔡教授原先的想法是：憶阻器的電阻取決于多少電荷經(jīng)過了這個器件。也就是說，讓電荷以一個方向流過，電阻會增加；如果讓電荷以反向流動，電阻就會減小。簡單地說，這種器件在任一時刻的電阻是時間的函數(shù)———或多少電荷向前或向后經(jīng)過了它。這一簡單想法的被證實，將對計算及計算機科學(xué)產(chǎn)生深遠的影響。
突破
比勒菲爾德大學(xué)托馬斯博士及其同事在2012年就制作出了一種具有學(xué)習(xí)能力的憶阻器。2013年，安迪·托馬斯利用這種憶阻器作為人工大腦的關(guān)鍵部件，他的研究結(jié)果將發(fā)表在《物理學(xué)學(xué)報D輯：應(yīng)用物理學(xué)》雜志上。
安迪·托馬斯解釋說，因為憶阻器與突觸的這種相似性，使其成為制造人工大腦——從而打造出新一代的電腦——的絕佳材料，“它使我們得以建造極為節(jié)能、耐用，同時能夠自學(xué)的處理器。”托馬斯的文章總結(jié)了自己的實驗結(jié)果，并借鑒其他生物學(xué)和物理學(xué)研究的成果，首次闡述了這種仿神經(jīng)系統(tǒng)的電腦如何將自然現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為技術(shù)系統(tǒng)，及其中應(yīng)該遵循的幾個原則。這些原則包括，憶阻器應(yīng)像突觸一樣，“注意”到之前的電子脈沖；而且只有當(dāng)刺激脈沖超過一定的量時，神經(jīng)元才會做出反應(yīng)，憶阻器也是如此。
憶阻器能夠持續(xù)增高或減弱電阻。托馬斯解釋道：“這也是人工大腦進行學(xué)習(xí)和遺忘的過程中，憶阻器如何發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。
發(fā)展前景 編輯本段
實現(xiàn)
2013年，中國憶阻器研究仍處于“自由探索”階段，不僅力量分散，而且主要集中于理論層面和計算機仿真。受研究條件所限，真正物理實現(xiàn)尚不多見。
事實上 HP 也沒有在找憶阻器，2005年是一個由 HP 的 Phillip J Kuekes 領(lǐng)軍的團隊，正在進行的一種稱為 Crossbar Latch 的技術(shù)的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的網(wǎng)格，在每一個交叉點上，要放一個「開關(guān)」連結(jié)一條橫向和縱向的電線。如果能讓這兩條電線控制這個開關(guān)的狀態(tài)的話，那網(wǎng)格上的每一個交叉點都能儲存一個位的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)下數(shù)據(jù)密度和存取速度都是前所未聞的，問題是，什么樣的材料能當(dāng)這個開關(guān)？這種材料必需要能有「開」、「關(guān)」兩個狀態(tài)，這兩個狀態(tài)必需要能操縱，更重要的，還有能在不改變狀態(tài)的前提下，發(fā)揮其開關(guān)的效果，允許或阻止電流的通過。如何取得這樣的材料考倒了 HP 的工程師，因此他們空有 Crossbar Latch 這么棒的想法，卻無法實現(xiàn)。
直到2008年（距蔡教授提出憶阻器已經(jīng)37年過去了）才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機，另一個由 Stanley Williams領(lǐng)軍的 HP 團隊在研究二氧化鈦的時候，意外地發(fā)現(xiàn)了二氧化鈦在某些情況的電子特性比較奇特。
Stanley等人發(fā)現(xiàn)，一塊極薄的二氧化鈦被夾在兩個電極中間，這些二氧化鈦又被分成兩個部份，一半是正常的二氧化鈦，另一半進行了“摻雜”，少了幾個氧原子。因此“摻雜”的那一半帶正電，電流通過時電阻比較小，而且當(dāng)電流從“摻雜”的一邊通向正常的一邊時，在電場的影響之下缺氧的“摻雜物”會逐漸往正常的一側(cè)游移，使得以整塊材料來言，“摻雜”的部份會占比較高的比重，整體的電阻也就會降低。反之，當(dāng)電流從正常的一側(cè)流向“摻雜”的一側(cè)時，電場會把缺氧的“摻雜物”從回推，電阻就會跟著增加。因此，整個器件就相當(dāng)于一個滑動變阻器一樣。
有望制成更快更節(jié)能的即開型PC
憶阻器最簡單的應(yīng)用就是作為非易失性阻抗存儲器(RRAM)，當(dāng)前的動態(tài)隨機存儲器所面臨的最大問題是，當(dāng)你關(guān)閉PC電源時，動態(tài)隨機存儲器就忘記了那里曾有過什么，所以下次打開計算機電源，你就必須坐在那兒等到所有需要運行計算機的東西都從硬盤裝入到動態(tài)隨機存儲器。有了非易失性隨機存儲器，那個過程將是瞬間的，并且你的PC會回到你關(guān)閉時的相同狀態(tài)。
研究人員稱，憶阻器可讓手機在使用數(shù)周或更久時間后無需充電，也可使筆記本電腦在電池電量耗盡后很久仍能保存信息。憶阻器也有望挑戰(zhàn)數(shù)碼設(shè)備中普遍使用的閃存，因為它具有關(guān)閉電源后仍
可以保存信息的能力。利用這項新發(fā)現(xiàn)制成的芯片，將比閃存更快地保存信息，消耗更少的電力，占用更少的空間。
為開發(fā)模擬式計算機鋪平道路
憶阻器還能讓電腦理解以往搜集數(shù)據(jù)的方式，這類似于人類大腦搜集、理解一系列事情的模式，可讓計算機在找出自己保存的數(shù)據(jù)時更加智能。比如，根據(jù)以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴一臺微波爐對于不同食物的加熱時間。當(dāng)前，許多研究人員正試圖編寫在標準機器上運行的計算機代碼，以此來模擬大腦功能，他們使用大量有巨大處理能力的機器，但也僅能模擬大腦很小的部分。研究人員稱，他們能用一種不同于寫計算機程序的方式來模擬大腦或模擬大腦的某種功能，即依靠構(gòu)造某種基于憶阻器的仿真類大腦功能的硬件來實現(xiàn)。其基本原理是，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之中的幾乎所有狀態(tài)。這樣的計算機可以做許多種數(shù)字式計算機不太擅長的事情———比如做決策，判定一個事物比另一個大，甚至是學(xué)習(xí)。這樣的硬件可用來改進臉部識別技術(shù)，應(yīng)該比在數(shù)字式計算機上運行程序要快幾千到幾百萬倍。
取代
憶阻器的優(yōu)異性能，已經(jīng)展現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用前景。這種基礎(chǔ)元器件，將從根本上顛復(fù)現(xiàn)有的硅芯片產(chǎn)業(yè)。
2012年，美國電氣和電子工程協(xié)會邀約3位國際知名學(xué)者共同撰寫了一篇長文《超越摩爾》，其中專章講述了憶阻器。這引起了中科院計算技術(shù)研究所研究員閔應(yīng)驊的注意，他在科學(xué)網(wǎng)上連續(xù)發(fā)表5篇博文進行譯介。閔應(yīng)驊曾說，未來半導(dǎo)體工業(yè)有可能從“硅時代”進入“碳時代”，而憶阻器這種可記憶電流的非線性電阻，憑借其優(yōu)越的特性，將成為未來極有希望的存儲元件。
不只是存儲。2010年惠普實驗室再次宣布，憶阻器具有布爾邏輯運算的功能，這一發(fā)現(xiàn)震動了計算機學(xué)界。曾領(lǐng)銜研制“天河”系列超級計算機的國防科技大學(xué)科研人員在跟蹤調(diào)研后認為，“理論上可以通過憶阻器完全替代現(xiàn)在所有的數(shù)字邏輯電路”。
“在很大程度上，我同意憶阻器有可能代替晶體管這種說法，其自動記憶能力和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性，還將推動人工智能和模擬存儲的發(fā)展。”西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授段書凱認為。
與蔡少棠之間的學(xué)術(shù)淵源，使段書凱成為國內(nèi)最早開展憶阻器非線性系統(tǒng)研究的學(xué)者之一。
“還不太現(xiàn)實”的一個重要原因，在于憶阻器的實際應(yīng)用還有許多技術(shù)問題有待研究。不過幾乎所有科學(xué)家，學(xué)者均認為，這正是一個歷史機遇，我國研究者應(yīng)有所作為。
國內(nèi)外對比
“就在憶阻器的機理尚未完全探明時，國外商業(yè)競爭已進入白熱化階段了。”提及當(dāng)前國內(nèi)外研究態(tài)勢，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授徐暉表示。
自惠普憶阻器原型問世以來，國際研究迅速升溫，至今已有百余所研究機構(gòu)參與。不僅英、德、韓等國相繼加入，Intel、IBM等工業(yè)巨頭也在美國軍方支持下砸下重金。
2009年，科技部啟動國際合作項目“憶阻器材料及其原型器件”，繆向水是項目負責(zé)人。他也坦承，“國內(nèi)憶阻器研究目前還處于初始階段”。
國內(nèi)學(xué)術(shù)界在正式場合引介憶阻器大約在2010年。在該年的中國電子學(xué)會第16屆電
子元件學(xué)術(shù)年會上，一個重要環(huán)節(jié)即是由清華大學(xué)材料系教授周濟介紹憶阻器。盡管這只是一個介紹性報告，卻為與會者打開了一扇窗口。隨后幾年，該篇會議論文的下載量激增，顯示出國內(nèi)同行的極大熱情。2009年，只有徐暉團隊的一篇碩士論文專門介紹憶阻器；到2012年，這一數(shù)字已增至11篇。
“我們必須在國外廠商實現(xiàn)憶阻器產(chǎn)業(yè)化之前，‘強強聯(lián)合，共同攻關(guān)’，取得原創(chuàng)性的自主知識產(chǎn)權(quán)成果，以免將來受制于人。”繆向水表示。
華中科技大學(xué)歷經(jīng)四年研究，已經(jīng)能夠制備出納米級性能穩(wěn)定的憶阻器原型器件。并由該校牽頭，聯(lián)合清華、北大、國防科大、中科院微電子所等單位已在聯(lián)合申報一個“973”計劃項目，一旦獲批，將拉開我國憶阻器研發(fā)“協(xié)同作戰(zhàn)”的序幕。
鴻溝待跨越
從長遠來看，更大的挑戰(zhàn)則來自于知識、學(xué)科和行業(yè)之間的“鴻溝”。
湖南大學(xué)信息學(xué)院副教授尤志強曾前往美國交流，親眼目睹惠普等產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的密集互動。不料回國后，他卻接連遭遇在計算機期刊發(fā)表憶阻器論文被拒評的尷尬。他推測，評審專家對憶阻器缺乏了解，特別是計算機專家不熟悉半導(dǎo)體領(lǐng)域進展可能是原因之一。
“憶阻器屬于影響長遠的應(yīng)用基礎(chǔ)問題，存在大量學(xué)科交叉，做計算機的往往很難申請到課題，而做半導(dǎo)體的又太著急出成果。”閔應(yīng)驊說。2013年，在教學(xué)體系設(shè)置上，幾乎所有理工科大學(xué)生必修的本科基礎(chǔ)課程《電路原理》，仍未將“憶阻器”納入，以致于不少師生對于憶阻器都普遍感到陌生。
實質(zhì)進展 編輯本段
研究人員表示，憶阻器被植入到人體內(nèi)后，可以執(zhí)行體征監(jiān)測、疾病預(yù)警、傷口愈合跟蹤，并能夠?qū)⑿畔o線地傳送給醫(yī)生或患者，以便于采取后續(xù)措施。實驗證實，可降解憶阻器可讀寫數(shù)百次，在干燥情況下，信息可儲存3個月。而當(dāng)憶阻器放入水中或人體體液中時，整個器件在3天時間內(nèi)就幾乎完全溶解。
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