忆阻器伏安特性 忆阻器的发展前景

忆阻器的发展前景  

2013年，中国忆阻器研究仍处于“自由探索”阶段，不仅力量分散，而且主要集中于理论层面和计算机仿真。

受研究条件所限，真正物理实现尚不多见。

事实上 HP 也没有在找忆阻器，2005年是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为 Crossbar Latch 的技术的研究。

Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。

如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。

这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？这种材料必需要能有「开」、「关」两个状态，这两个状态必需要能操纵，更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。

如何取得这样的材料考倒了 HP 的工程师，因此他们空有 Crossbar Latch 这么棒的想法，却无法实现。

直到2008年（距蔡教授提出忆阻器已经37年过去了）才出现了转机，另一个由 Stanley Williams领军的 HP 团队在研究二氧化钛的时候，意外地发现了二氧化钛在某些情况的电子特性比较奇特。

Stanley等人发现，一块极薄的二氧化钛被夹在两个电极中间，这些二氧化钛又被分成两个部份，一半是正常的二氧化钛，另一半进行了“掺杂”，少了几个氧原子。

因此“掺杂”的那一半带正电，电流通过时电阻比较小，而且当电流从“掺杂”的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的“掺杂物”会逐渐往正常的一侧游移，使得以整块材料来言，“掺杂”的部份会占比较高的比重，整体的电阻也就会降低。

反之，当电流从正常的一侧流向“掺杂”的一侧时，电场会把缺氧的“掺杂物”从回推，电阻就会跟着增加。

因此，整个器件就相当于一个滑动变阻器一样。

有望制成更快更节能的即开型PC

忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器(RRAM)，当前的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭PC电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，所以下次打开计算机电源，你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器。

有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，并且你的PC会回到你关闭时的相同状态。

研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后无需充电，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，将比闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。

为开发模拟式计算机铺平道路

忆阻器还能让电脑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。

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对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，以此来模拟大脑功能，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小的部分。

研究人员称，他们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———比如做决策，判定一个事物比另一个大，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。

忆阻器的优异性能，已经展现出其广泛的应用前景。

这种基础元器件，将从根本上颠覆现有的硅芯片产业。

2012年，美国电气和电子工程协会邀约3位国际知名学者共同撰写了一篇长文《超越摩尔》，其中专章讲述了忆阻器。

这引起了中科院计算技术研究所研究员闵应骅的注意，他在科学网上连续发表5篇博文进行译介。

闵应骅曾说，未来半导体工业有可能从“硅时代”进入“碳时代”，而忆阻器这种可记忆电流的非线性电阻，凭借其优越的特性，将成为未来极有希望的存储元件。

不只是存储。

2010年惠普实验室再次宣布，忆阻器具有布尔逻辑运算的功能，这一发现震动了计算机学界。

曾领衔研制“天河”系列超级计算机的国防科技大学科研人员在跟踪调研后认为，“理论上可以通过忆阻器完全替代现在所有的数字逻辑电路”。

“在很大程度上，我同意忆阻器有可能代替晶体管这种说法，其自动记忆能力和状态转换特性，还将推动人工智能和模拟存储的发展。”西南大学电子信息工程学院教授段书凯认为。

与蔡少棠之间的学术渊源，使段书凯成为国内最早开展忆阻器非线性系统研究的学者之一。

华中科技大学微电子学系教授、长江学者缪向水则表示，忆阻器的确具有给微电子领域带来强大变革的能力，但要彻底取代晶体管，此时看来还不太现实。

“还不太现实”的一个重要原因，在于忆阻器的实际应用还有许多技术问题有待研究。

不过几乎所有科学家，学者均认为，这正是一个历史机遇，我国研究者应有所作为。