憶阻器

憶阻器，全稱記憶電阻，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，當時任教於美國的柏克萊大學。時間是 1971 年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關係時，任教於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係。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。

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存儲數據的功能。實際上就是一個有記憶功能的非線性電阻器。

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。

由於憶阻器尺寸小、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，相當於一枚CPU晶元中十幾個晶體管共同產生的效用。

蔡教授之所以提出憶阻器，只是因為在數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，當時並沒有找到什麼材料本身就有明顯的憶阻器的效果，也沒有人在找，處於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。

HP 關於憶阻器的發現在 2008 年時發表於自然期刊，2009 年證明了Cross Latch的系統很容易就能堆棧，形成立體的內存。技術每個電線間的開關大約是 3nm x 3nm 大，開關切換的時間小於0.1ns，整體的運作速度已和 DRAM差不多，但是開關次數還不如DRAM-- 還不足以取代 DRAM，但是靠著1 cm² 100 gigabit（GB）， 1cm³ 1 petabit（數據存儲單位1PB=1000TB）（別忘了它是可以堆棧的）的驚人潛在容量，幹掉快閃記憶體是綽綽有餘的。

但是 Crossbar Latch 可不止用來儲存數據而已。它的網格狀設計，和每個交叉點間都有開關，意味著整組網格在某些程度上是可以邏輯化的。在原始的Crossbar Latch論文中就已經提到了如何用網格來模擬AND、OR和NOT三大邏輯閘，幾個網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於晶體管的躍進，和晶體管相對於真空管的躍進是一樣大的。另一方面，也有人在討論電路自己實時調整自己的狀態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，而且隨需要調整。這已經完全超出了這一代電腦的設計邏輯，可以朝這條路發展下去的話，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摩爾定律的生命，朝向被機器人統治的未來前進。

惠普實驗室的研究人員認為RRAM就是Chua所說的憶阻器，其報道的基於TiO2的RRAM器件在2008年5月1日的《自然》期刊上發表。加州大學伯克利分校教授蔡少棠，1971年發表《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，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。惠普實驗室的論文則以《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，當年他提出論文後，數十年來不曾繼續鑽研，所以當惠普實驗室人員幾個月前和他聯繫時，他吃了一驚。

RRAM可使手機將來使用數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後很久仍記憶上次使用的信息。憶阻器也將挑戰掌上電子裝置內普遍使用的快閃記憶體，因為它具有關閉電源后仍記憶數據的能力。RRAM將比今日的快閃記憶體更快記憶信息，消耗更少電力，佔用更少空間。憶阻器跟人腦運作方式頗為類似，惠普說或許有天，電腦系統能利用憶阻器，像人類那樣將某種模式（patterns）記憶與關聯。

RRAM為製造非易失性存儲設備、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繫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，對電子科學的發展歷程產生重大影響。

研究人員表示，憶阻器器件的最有趣特徵是它可以記憶流經它的電荷數量。蔡教授原先的想法是：憶阻器的電阻取決於多少電荷經過了這個器件。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———或多少電荷向前或向後經過了它。這一簡單想法的被證實，將對計算及計算機科學產生深遠的影響。

比勒菲爾德大學托馬斯博士及其同事在2012年就製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鍵部件，他的研究結果將發表在《物理學學報D輯：應用物理學》雜誌上。

安迪·托馬斯解釋說，因為憶阻器與突觸的這種相似性，使其成為製造人工大腦——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能、耐用，同時能夠自學的處理器。”托馬斯的文章總結了自己的實驗結果，並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系統的電腦如何將自然現象轉化為技術系統，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”到之前的電子脈衝；而且只有當刺激脈衝超過一定的量時，神經元才會做出反應，憶阻器也是如此。

憶阻器能夠持續增高或減弱電阻。托馬斯解釋道：“這也是人工大腦進行學習和遺忘的過程中，憶阻器如何發揮作用的基礎。”

2013年，中國憶阻器研究仍處於“自由探索”階段，不僅力量分散，而且主要集中於理論層面和計算機模擬。受研究條件所限，真正物理實現尚不多見。

事實上 HP 也沒有在找憶阻器，2005年是一個由 HP 的 Phillip J Kuekes 領軍的團隊，正在進行的一種稱為 Crossbar Latch 的技術的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的網格，在每一個交叉點上，要放一個「開關」連結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的狀態的話，那網格上的每一個交叉點都能儲存一個位的數據。這種系統下數據密度和存取速度都是前所未聞的，問題是，什麼樣的材料能當這個開關？這種材料必需要能有「開」、「關」兩個狀態，這兩個狀態必需要能操縱，更重要的，還有能在不改變狀態的前提下，發揮其開關的效果，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 這麼棒的想法，卻無法實現。

直到2008年（距蔡教授提出憶阻器已經37年過去了）才出現了轉機，另一個由 Stanley Williams領軍的 HP 團隊在研究二氧化鈦的時候，意外地發現了二氧化鈦在某些情況的電子特性比較奇特。

Stanley等人發現，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游移，使得以整塊材料來言，“摻雜”的部份會佔比較高的比重，整體的電阻也就會降低。反之，當電流從正常的一側流向“摻雜”的一側時，電場會把缺氧的“摻雜物”從回推，電阻就會跟著增加。因此，整個器件就相當於一個滑動變阻器一樣。

有望製成更快更節能的即開型PC

憶阻器最簡單的應用就是作為非易失性阻抗存儲器(RRAM)，當前的動態隨機存儲器所面臨的最大問題是，當你關閉PC電源時，動態隨機存儲器就忘記了那裡曾有過什麼，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碟裝入到動態隨機存儲器。有了非易失性隨機存儲器，那個過程將是瞬間的，並且你的PC會回到你關閉時的相同狀態。

研究人員稱，憶阻器可讓手機在使用數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。憶阻器也有望挑戰數碼設備中普遍使用的快閃記憶體，因為它具有關閉電源后仍

可以保存信息的能力。利用這項新發現製成的晶元，將比快閃記憶體更快地保存信息，消耗更少的電力，佔用更少的空間。

為開發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據的方式，這類似於人類大腦搜集、理解一系列事情的模式，可讓計算機在找出自己保存的數據時更加智能。比如，根據以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴一台微波爐對於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，他們能用一種不同於寫計算機程序的方式來模擬大腦或模擬大腦的某種功能，即依靠構造某種基於憶阻器的模擬類大腦功能的硬體來實現。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。這樣的計算機可以做許多種數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。這樣的硬體可用來改進臉部識別技術，應該比在數字式計算機上運行程序要快幾千到幾百萬倍。

憶阻器的優異性能，已經展現出其廣泛的應用前景。這種基礎元器件，將從根本上顛復現有的硅晶元產業。

2012年，美國電氣和電子工程協會邀約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研究所研究員閔應驊的注意，他在科學網上連續發表5篇博文進行譯介。閔應驊曾說，未來半導體工業有可能從“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，憑藉其優越的特性，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，這一發現震動了計算機學界。曾領銜研製“天河”系列超級計算機的國防科技大學科研人員在跟蹤調研后認為，“理論上可以通過憶阻器完全替代現在所有的數字邏輯電路”。

“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轉換特性，還將推動人工智慧和模擬存儲的發展。”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淵源，使段書凱成為國內最早開展憶阻器非線性系統研究的學者之一。

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，此時看來還不太現實。

“還不太現實”的一個重要原因，在於憶阻器的實際應用還有許多技術問題有待研究。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。

“就在憶阻器的機理尚未完全探明時，國外商業競爭已進入白熱化階段了。”提及當前國內外研究態勢，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，至今已有百餘所研究機構參與。不僅英、德、韓等國相繼加入，Intel、IBM等工業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，“國內憶阻器研究目前還處於初始階段”。

國內學術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

子元件學術年會上，一個重要環節即是由清華大學材料系教授周濟介紹憶阻器。儘管這只是一個介紹性報告，卻為與會者打開了一扇窗口。隨後幾年，該篇會議論文的下載量激增，顯示出國內同行的極大熱情。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，這一數字已增至11篇。

“我們必須在國外廠商實現憶阻器產業化之前，‘強強聯合，共同攻關’，取得原創性的自主知識產權成果，以免將來受制於人。”繆向水表示。

華中科技大學歷經四年研究，已經能夠製備出納米級性能穩定的憶阻器原型器件。並由該校牽頭，聯合清華、北大、國防科大、中科院微電子所等單位已在聯合申報一個“973”計劃項目，一旦獲批，將拉開我國憶阻器研發“協同作戰”的序幕。

從長遠來看，更大的挑戰則來自於知識、學科和行業之間的“鴻溝”。

湖南大學信息學院副教授尤志強曾前往美國交流，親眼目睹惠普等產業界與學術界的密集互動。不料回國后，他卻接連遭遇在計算機期刊發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域進展可能是原因之一。

“憶阻器屬於影響長遠的應用基礎問題，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，在教學體系設置上，幾乎所有理工科大學生必修的本科基礎課程《電路原理》，仍未將“憶阻器”納入，以致於不少師生對於憶阻器都普遍感到陌生。

研究人員表示，憶阻器被植入到人體內后，可以執行體征監測、疾病預警、傷口癒合跟蹤，並能夠將信息無線地傳送給醫生或患者，以便於採取後續措施。實驗證實，可降解憶阻器可讀寫數百次，在乾燥情況下，信息可儲存3個月。而當憶阻器放入水中或人體體液中時，整個器件在3天時間內就幾乎完全溶解。