憶阻器

　　基本介紹

　　憶阻器的英文 Memristor 來自“Memory（記憶）”和“Resistor（電阻）”兩個字的合并，從這兩個字可以大致推敲出它的功用來。最早提出憶阻器概念的人，是華裔的科學家蔡少棠，當時任教于美國的柏克萊大學。時間是 1971 年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系時，任教于加州大學伯克利分校的蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外，應該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關(guān)系。這種組件的效果，就是它的電阻會隨著通過的電流量而改變，而且就算電流停止了，它的電阻仍然會停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會被推回去。

　　用常見的水管來比喻，電流是通過的水量，而電阻是水管的粗細時，當水從一個方向流過去，水管會隨著水流量而越來越粗，這時如果把水流關(guān)掉的話，水管的粗細會維持不變；反之當水從相反方向流動時，水管就會越來越細。因為這樣的組件會“記住”之前的電流量，因此被稱為憶阻器。

　　由于憶阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地儲存和處理信息。一個憶阻器的工作量，相當于一枚CPU芯片中十幾個晶體管共同產(chǎn)生的效用。

　　2、發(fā)展過程

　　提出

　　蔡教授之所以提出憶阻器，只是因為在數(shù)學模型上它應該是存在的。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已實時調(diào)整自已的狀態(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。簡單說，憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。通過控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，則這種電阻就可以實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。實際上就是一個有記憶功能的非線性電阻器。

　　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?；萜諏嶒炇业恼撐膭t以《尋獲下落不明的憶阻器》為標題，呼應前人的主張。蔡少棠接受電話訪問時表示，當年他提出論文后，數(shù)十年來不曾繼續(xù)鉆研，所以當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產(chǎn)生深遠的影響。

　　突破

　　比勒菲爾德大學托馬斯博士及其同事在2012年就制作出了一種具有學習能力的憶阻器。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《物理學學報D輯：應用物理學》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，并借鑒其他生物學和物理學研究的成果，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)，及其中應該遵循的幾個原則。這些原則包括，憶阻器應像突觸一樣，“注意”到之前的電子脈沖；而且只有當刺激脈沖超過一定的量時，神經(jīng)元才會做出反應，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習和遺忘的過程中，憶阻器如何發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。”

　　3、發(fā)展前景

　　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

　　憶阻器最簡單的應用就是作為非易失性阻抗存儲器(RRAM)，當前的動態(tài)隨機存儲器所面臨的最大問題是，當你關(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，甚至是學習。這樣的硬件可用來改進臉部識別技術(shù)，應該比在數(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)出其廣泛的應用前景。這中基礎(chǔ)元器件，將從根本上顛覆現(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)研究所研究員閔應驊的注意，他在科學網(wǎng)上連續(xù)發(fā)表5篇博文進行譯介。閔應驊曾說，未來半導體工業(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)震動了計算機學界。曾領(lǐng)銜研制“天河”系列超級計算機的國防科技大學科研人員在跟蹤調(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。”西南大學電子信息工程學院教授段書凱認為。

　　與蔡少棠之間的學術(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)研究的學者之一。

　　華中科技大學微電子學系教授、長江學者繆向水則表示，憶阻器的確具有給微電子領(lǐng)域帶來強大變革的能力，但要徹底取代晶體管，此時看來還不太現(xiàn)實。

　　“還不太現(xiàn)實”的一個重要原因，在于憶阻器的實際應用還有許多技術(shù)問題有待研究。不過幾乎所有科學家，學者均認為，這正是一個歷史機遇，我國研究者應有所作為。

　　4、中國落后

　　國內(nèi)外鮮明對比

　　“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。”提及當前國內(nèi)外研究態(tài)勢，國防科技大學電子科學與工程學院教授徐暉表示。

　　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會第16屆電子元件學術(shù)年會上，一個重要環(huán)節(jié)即是由清華大學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、學科和行業(yè)之間的“鴻溝”。

　　湖南大學信息學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體領(lǐng)域進展可能是原因之一。

　　“憶阻器屬于影響長遠的應用基礎(chǔ)問題，存在大量學科交叉，做計算機的往往很難申請到課題，而做半導體的又太著急出成果。”閔應驊說。2013年，在教學體系設(shè)置上，幾乎所有理工科大學生必修的本科基礎(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。