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(qiáng)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(gè)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(gè)方向施加電壓脈沖將使材料變成低電阻值。運(yùn)用阻值高、兩個(gè)低狀態(tài)可以存儲(chǔ)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(jī)存儲(chǔ)器的集成度功耗和讀寫速度都優(yōu)于傳統(tǒng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。另外，憶阻器是用硬件實(shí)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。
憶阻器Memristor，記憶電阻的全稱，從這兩個(gè)字就能大致搞清楚它的作用。第一個(gè)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(shí)間是 19713356，學(xué)習(xí)收費(fèi)、電流、當(dāng)電壓和磁通量的關(guān)系時(shí)，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(gè)分量，代表電荷和磁通量的關(guān)系。這個(gè)元件的作用是它的電阻會(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。實(shí)際上，它是一個(gè)具有記憶功能的非線性電阻。
用常見的水管打個(gè)比方，當(dāng)電流是通過的水量，阻力是水管的粗細(xì)時(shí)，當(dāng)水向一個(gè)方向流動(dòng)時(shí)，水管會(huì)隨著水流越來越粗此時(shí)，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(shí)，水管會(huì)越來越細(xì)。因?yàn)檫@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(chǔ)和處理信息。一個(gè)憶阻器的工作量相當(dāng)于一個(gè)CPU芯片中十幾個(gè)晶體管的效用。
發(fā)展過程
提出
憶阻器
研究
憶阻器
但是 Crossbar Latch 可不止用來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)而已。它的網(wǎng)格狀設(shè)計(jì)，和每個(gè)交叉點(diǎn)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(gè)網(wǎng)格的組合甚至可以做出加法之類的運(yùn)算。這為擺脫晶體管進(jìn)到下一個(gè)世代開了一扇窗，很多人認(rèn)為憶阻器電腦相對于晶體管的躍進(jìn)，和晶體管相對于真空管的躍進(jìn)是一樣大的。另一方面，也有人在討論電路自己實(shí)時(shí)調(diào)整自己的狀態(tài)來符合運(yùn)算需求的可能性。這點(diǎn)，再搭配上憶阻器的記憶能力，代表著運(yùn)算電路和記憶電路將可同時(shí)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(jì)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(jī)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(jìn)展，或許能讓我們再一次延續(xù)摩爾定律的生命，朝向被機(jī)器人統(tǒng)治的未來前進(jìn)。
惠普實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為RRAM就是Chua所說的憶阻器，其報(bào)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(shí)驗(yàn)室的論文則以《尋獲下落不明的憶阻器》為標(biāo)題，呼應(yīng)前人的主張。蔡少棠接受電話訪問時(shí)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(shí)驗(yàn)室人員幾個(gè)月前和他聯(lián)系時(shí)，他吃了一驚。
RRAM可使手機(jī)將來使用數(shù)周或更久而不需充電；使個(gè)人電腦開機(jī)后立即啟動(dòng)；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?yàn)樗哂嘘P(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(yùn)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(chǔ)設(shè)備、即開型PC、更高能效的計(jì)算機(jī)和類似人類大腦方式處理與聯(lián)系信息的模擬式計(jì)算機(jī)等鋪平了道路，未來甚至可能會(huì)通過大大提高晶體管所能達(dá)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(gè)器件。也就是說，讓電荷以一個(gè)方向流過，電阻會(huì)增加；如果讓電荷以反向流動(dòng)，電阻就會(huì)減小。簡單地說，這種器件在任一時(shí)刻的電阻是時(shí)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(shí)，將對計(jì)算及計(jì)算機(jī)科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
突破
比勒菲爾德大學(xué)研制的憶阻器
安迪·托馬斯解釋說，因?yàn)閼涀杵髋c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(shí)能夠自學(xué)的處理器。”托馬斯的文章總結(jié)了自己的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)，神經(jīng)元才會(huì)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(jìn)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
實(shí)現(xiàn)
憶阻器研究設(shè)備
事實(shí)上 HP 也沒有在找憶阻器，2005年是一個(gè)由 HP 的 Phillip J Kuekes 領(lǐng)軍的團(tuán)隊(duì)，正在進(jìn)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(gè)交叉點(diǎn)上，要放一個(gè)「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(gè)開關(guān)的狀態(tài)的話，那網(wǎng)格上的每一個(gè)交叉點(diǎn)都能儲(chǔ)存一個(gè)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(gè)開關(guān)？這種材料必需要能有「開」、「關(guān)」兩個(gè)狀態(tài)，這兩個(gè)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(shí)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(jī)，另一個(gè)由 Stanley Williams領(lǐng)軍的 HP 團(tuán)隊(duì)在研究二氧化鈦的時(shí)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(gè)電極中間，這些二氧化鈦又被分成兩個(gè)部份，一半是正常的二氧化鈦，另一半進(jìn)行了“摻雜”，少了幾個(gè)氧原子。因此“摻雜”的那一半帶正電，電流通過時(shí)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(shí)，在電場的影響之下缺氧的“摻雜物”會(huì)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(huì)占比較高的比重，整體的電阻也就會(huì)降低。反之，當(dāng)電流從正常的一側(cè)流向“摻雜”的一側(cè)時(shí)，電場會(huì)把缺氧的“摻雜物”從回推，電阻就會(huì)跟著增加。因此，整個(gè)器件就相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)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(chǔ)器(RRAM)，當(dāng)前的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器所面臨的最大問題是，當(dāng)你關(guān)閉PC電源時(shí)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器就忘記了那里曾有過什么，所以下次打開計(jì)算機(jī)電源，你就必須坐在那兒等到所有需要運(yùn)行計(jì)算機(jī)的東西都從硬盤裝入到動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。有了非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器，那個(gè)過程將是瞬間的，并且你的PC會(huì)回到你關(guān)閉時(shí)的相同狀態(tài)。
研究人員稱，憶阻器可讓手機(jī)在使用數(shù)周或更久時(shí)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?yàn)樗哂嘘P(guān)閉電源后仍
可以保存信息的能力。利用這項(xiàng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)在找出自己保存的數(shù)據(jù)時(shí)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(tái)微波爐對于不同食物的加熱時(shí)間。當(dāng)前，許多研究人員正試圖編寫在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)可以做許多種數(shù)字式計(jì)算機(jī)不太擅長的事情———比如做決策，判定一個(gè)事物比另一個(gè)大，甚至是學(xué)習(xí)。這樣的硬件可用來改進(jìn)臉部識(shí)別技術(shù)，應(yīng)該比在數(shù)字式計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(huì)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(jì)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(jìn)行譯介。閔應(yīng)驊曾說，未來半導(dǎo)體工業(yè)有可能從“硅時(shí)代”進(jìn)入“碳時(shí)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(chǔ)元件。
不只是存儲(chǔ)。2010年惠普實(shí)驗(yàn)室再次宣布，憶阻器具有布爾邏輯運(yùn)算的功能，這一發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了計(jì)算機(jī)學(xué)界。曾領(lǐng)銜研制“天河”系列超級計(jì)算機(jī)的國防科技大學(xué)科研人員在跟蹤調(diào)研后認(rèn)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(dòng)記憶能力和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性，還將推動(dòng)人工智能和模擬存儲(chǔ)的發(fā)展。”西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授段書凱認(rèn)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。
華中科技大學(xué)微電子學(xué)系教授、長江學(xué)者繆向水則表示，憶阻器的確具有給微電子領(lǐng)域帶來強(qiáng)大變革的能力，但要徹底取代晶體管，此時(shí)看來還不太現(xiàn)實(shí)。
“還不太現(xiàn)實(shí)”的一個(gè)重要原因，在于憶阻器的實(shí)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(rèn)為，這正是一個(gè)歷史機(jī)遇，我國研究者應(yīng)有所作為。
國內(nèi)外對比
作品效果
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(jī)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(dòng)國際合作項(xiàng)目“憶阻器材料及其原型器件”，繆向水是項(xiàng)目負(fù)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(huì)第16屆電
子元件學(xué)術(shù)年會(huì)上，一個(gè)重要環(huán)節(jié)即是由清華大學(xué)材料系教授周濟(jì)介紹憶阻器。盡管這只是一個(gè)介紹性報(bào)告，卻為與會(huì)者打開了一扇窗口。隨后幾年，該篇會(huì)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)憶阻器產(chǎn)業(yè)化之前，‘強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同攻關(guān)’，取得原創(chuàng)性的自主知識(shí)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(bào)一個(gè)“973”計(jì)劃項(xiàng)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(yuǎn)來看，更大的挑戰(zhàn)則來自于知識(shí)、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(qiáng)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(dòng)。不料回國后，他卻接連遭遇在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專家不熟悉半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)展可能是原因之一。
“憶阻器屬于影響長遠(yuǎn)的應(yīng)用基礎(chǔ)問題，存在大量學(xué)科交叉，做計(jì)算機(jī)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(shí)質(zhì)進(jìn)展
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(shí)驗(yàn)證實(shí)，可降解憶阻器可讀寫數(shù)百次，在干燥情況下，信息可儲(chǔ)存3個(gè)月。而當(dāng)憶阻器放入水中或人體體液中時(shí)，整個(gè)器件在3天時(shí)間內(nèi)就幾乎完全溶解。