二、记忆电阻器的研究

记忆电阻器是一种可以记忆自身历史的元件，即使在电源被关闭的情况下仍具备这一功能。记忆电阻器可以使计算机在电池电量耗尽后很长时间仍能保存信息。这项发现将有可能用于制造非易失性存储设备、更高能效的计算机、类似于人类大脑处理与联系信息工作方式一样的模拟式计算机等，将对电子科学与信息技术的发展产生重大的影响。

早在1971年，美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠教授，就从理论上预言了记忆电阻器的存在，但直到2012年科学家才把它真正研制出来。

此前，在讲述专业基础理论的《电路》《电子学》教科书中列出了3种基本的无源电路元件，它们是电阻、电容和电感。其中，电阻是无记忆元件，而电容和电感是记忆元件。电容是依赖其具备储存电场能量特性而实现记忆功能的；电感是依赖其具备储存磁场能量特性而实现记忆功能的；电阻则是一个消耗电能的元件，它只能将电能转变为热能、光能或机械能等其他形式的能量，它并不具备储存电能的特性，没有记忆功能。

蔡少棠教授在1971年研究电荷、电流、电压和磁通之间的关系时，推断在电阻、电容和电感之外，应该还有一种电路元件——记忆电阻器（简称忆阻器），它代表着电荷量与磁通量之间的关系，如图1-13所示。蔡少棠教授的想法是：忆阻器的电阻值取决于流过这个器件电荷量的多少。也就是说，让电荷从反方向流过，其电阻会增加；让电荷从正方向流过，其电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻就是时间的函数，即有多少电荷量从反向或正向经过了它。记忆电阻实际上就是一个具有记忆功能的非线性电阻元件。蔡少棠教授发表的论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提供了忆阻器的原始理论架构，推测它具有天然的记忆能力，即使电源中断也不会改变。通过控制流过它的电流的变化来改变其电阻值，如果把高电阻值定义为“1”，低电阻值定义为“0”，则它就可以实现存储数据的功能。

这一预测提出近40年后，一直无人能证实这一现象的存在。直到2008年，来自美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的4位研究人员，证实了记忆电阻现象在纳米度量的电子系统中确实是天然存在的，他们发表于当年5月1日出版的英国《自然》杂志上的论文《寻获下落不明的忆阻器》宣称，已经证实了电路世界中的第四种基本元件——记忆电阻器（Memory resistors），简称为忆阻器（Memristor）的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。这项发现将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC机、更高能效的计算机，未来甚至可能会大大提高晶体管所能达到的功能密度。

蔡少棠教授对这项研究成果感到兴奋，称从来没想到他的理论被搁置了37年后还能得到证实。研究人员表示，忆阻器的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷量。

如今，美国惠普公司实验室的斯坦·威廉斯及其同事（见图1-14）在进行集成电路实验时，终于制造出了忆阻器的实物模型。他们像制作三明治一样，将一层纳米级的二氧化钛半导体薄膜夹在由铂制成的两个金属薄片之间。这些材料都是标准材料，制作忆阻器的窍门是使其组成部分只有5nm大小，也就是说，仅相当于人一根头发丝的万分之一那么细。

美国标准技术研究所（NIST）最近也宣称他们发明了一种新的内存技术：柔性记忆电阻技术。这是一种新型的记忆电阻技术。这种记忆电阻是由钛氧化物制成，钛氧化物是制作防晒油和牙膏等产品的常见材料。科学家们用这种氧化物制成柔性透明聚合物薄片，并在上面制出触点，便可将其用于制造记忆电阻。这种记忆体可以在低于10V的电压下工作，而且断电后也可以保存数据，材料的伸缩寿命可以达到4000次。

NIST的研究小组把用溶胶—凝胶法制备的液态钛氧化物喷涂在透明薄片上，并在室温下干燥，由此得到的产品可以在掉电状态下将数据保存长达14d。

科学家们指出，只有在纳米尺度上，忆阻器的工作状态才可以被察觉到。他们希望这种新元件能够给计算机的制造和运行方式带来革命性变革。科学家们认为，用忆阻器电路制造出的计算机将能“记忆”先前处理过的事情，并在断电后“冻结”这种“记忆”。这将使计算机可以反复立即开关，所有组件都不必经过“导入”过程就能即刻恢复到最近的结束状态。

2012年，在德国北莱茵威斯特法伦州的比勒菲尔德大学，安迪·托马斯博士及其同事制作出了一种具有学习能力的忆阻器，如图1-15所示。2013年，安迪·托马斯将这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。安迪·托马斯解释说，忆阻器与突触的这种相似性，使其成为制造人工大脑——从而打造出新一代的计算机的绝佳材料，“它使我们得以建造极为节能、耐用，同时能够自学的处理器。”托马斯在文章中总结了自己的实验结果，并借鉴其他生物学和物理学研究的成果，首次阐述了这种仿神经系统的计算机如何将自然现象转化为技术系统，以及其中应该遵循的几个原则。这些原则包括忆阻器应像突触一样，“注意”到之前的电子脉冲；只有当刺激脉冲超过一定的量时，神经元才会作出反应，忆阻器也是如此。

忆阻器能够持续增加或减弱电阻。托马斯解释：这也是人工大脑在进行学习和遗忘的过程中，忆阻器如何发挥作用的基础。

忆阻器研制成功后，有可能对电子科学与信息技术的发展产生重大的影响。

记忆电阻半导体——忆阻器最简单的应用就是构造新型的非易失性随机存储器，或当计算机关闭后不会忘记它们曾经所处的能量状态的存储芯片。研究人员称，今天的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭PC机电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，下次打开计算机电源，必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的信息都从硬盘装入动态随机存储器。有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，并且PC机会回到关闭时的相同状态。

研究人员称，忆阻器还可以让手机在使用数周或更长时间后无须充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战目前数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，将比目前的闪存更快地保存信息，消耗更少的电能，占用更少的空间。

忆阻器还能让计算机理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能化。比如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉一台微波炉关于不同食物的加热时间。

当前，许多研究人员正试图编写在标准机器上运行的计算机代码，以此来模拟人类大脑的功能，他们使用大量有巨大处理能力的机器，但也仅能模拟大脑很少部分的功能。研究人员称，他们现在能用一种不同于写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，即依靠构造某种基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件来实现。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几乎所有状态。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情——如作决策，判定一个物体是否比另一个大，甚至是学习。这样的硬件可用来改进脸部识别技术，应该比在数字式计算机上运行程序要快几千到几百万倍。

研究人员表示，也许现在就可以建设工厂来生产这些东西了，但是投资忆阻器的电路设计比建造工厂要昂贵得多，目前还没有更为理想的忆阻器模型。人们还要设计出必要的工具，并为忆阻器找到合适的应用领域。忆阻器需要多久才能成为商业化的电子产品，相对于技术问题而言，可能更多的是商业决策问题。 MpozoJiUSwR3g3Xae8z3eevM8xzqKx69uqRbI8FdU7AYbDpDwxXgmyrjAiWSPY6W