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(gè)字的合并，從這兩個(gè)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(xué)家蔡少棠，當(dāng)時(shí)任教于美國的柏克萊大學(xué)。時(shí)間是 1971 年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系時(shí)，任教于加州大學(xué)伯克利分校的蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外，應(yīng)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(huì)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(huì)停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會(huì)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(xì)時(shí)，當(dāng)水從一個(gè)方向流過去，水管會(huì)隨著水流量而越來越粗，這時(shí)如果把水流關(guān)掉的話，水管的粗細(xì)會(huì)維持不變；反之當(dāng)水從相反方向流動(dòng)時(shí)，水管就會(huì)越來越細(xì)。因?yàn)檫@樣的組件會(huì)“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(chǔ)存和處理信息。一個(gè)憶阻器的工作量，相當(dāng)于一枚CPU芯片中十幾個(gè)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?yàn)樵跀?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(gè)模擬憶阻器效果的電路，當(dāng)時(shí)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(shí)間，這時(shí)候 HP 就登場了。

　　研究

　　HP 關(guān)于憶阻器的發(fā)現(xiàn)在 2008 年時(shí)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(gè)電線間的“開關(guān)”大約是 3nm x 3nm 大，開關(guān)切換的時(shí)間小于0.1ns，整體的運(yùn)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(chǔ)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(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已實(shí)時(shí)調(diào)整自已的狀態(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)。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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。實(shí)際上就是一個(gè)有記憶功能的非線性電阻器。

　　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)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(bào)D輯：應(yīng)用物理學(xué)》雜志上。

　　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)。”

　　3、發(fā)展前景

　　實(shí)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(jì)算機(jī)仿真。受研究條件所限，真正物理實(shí)現(xiàn)尚不多見。

　　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(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。

　　4、中國落后

　　國內(nèi)外鮮明對比

　　“就在憶阻器的機(jī)理尚未完全探明時(shí)，國外商業(yè)競爭已進(jìn)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(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。