4.忆阻器的应用

忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。基于忆阻器这一功能及其特性，会有极其广泛的应用和发展前景。忆阻器——过去一段时间里成了大量研究的主题——将成为一系列新设备的基本构件，这些设备从“物联网”内部的传感器和记忆芯片，到科学家、工程师用于处理海量数据的巨型计算机。
下面简单介绍忆阻器的部分应用。
（1）忆阻器可制成阻抗存储器RRAM
忆阻器的最简单的应用是非易失性阻抗存储器(RRAM)，也就是在断电后仍然能够保存数据的存储器。今天的电脑广泛使用动态随机存储器（DRAM）作为内存，这种技术的最大问题是，当用户关闭电源时，内存就”忘记”了曾使用过的数据，下次打开计算机电源，用户必须坐等所有需要运行的数据全部从硬盘中重新装载入内存后才能使用。这个过程有时长达数分钟。有了RRAM，电脑会在开机的一瞬间回到上次关机前的状态。一旦RRAM得到应用，手机可以使用数周或更久的时间而不需充电，笔记本型电脑可以在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息，数码相机、MP3和掌上电子设备也会带来全新功能。
忆阻器的最有趣特征之一，是它可以记忆流经它的电荷数量，也就是说，它能够记住过去了的事情。这种记忆可不是0和1这么简单，而且可以包括从0到1之间所有的“灰色”状态，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式。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一部分。忆阻器的出现，让科学家能够用一种不同于编写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，构造出基于忆阻器的仿生类大脑功能的硬件。这样的计算机可以做许多数字式计算机不太擅长的事情，例如图形识别，甚至是学习。又比如，这样的硬件用于脸部识别技术，可以比数字式计算机上运行程序快几千到几百万倍。
事实上从2000年始，研究人员就已经在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化，并将其应用到了下一代非易失性存储器-阻抗存储器(RRAM)中。在工业界，早已经开始了RRAM的研究和产品的开发。惠普实验室的研究人员认为RRAM就是蔡少棠所说的忆阻器。
RRAM可使手机将来使用数周或更久而不需充电；使个人电脑开机后立即启动；笔记型电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。忆阻器也将挑战掌上电子装置目前普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍记忆数据的能力。RRAM将比今日的闪存更快记忆信息，消耗更少电力，占用更少空间。忆阻器跟人脑运作方式颇为类似，惠普说或许有一天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式记忆与之关联。
RRAM为制造非易失性存储设备、即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等铺平了道路，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。
（2）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型阻抗存储器(RRAM)。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。有了非易失型随机存储器，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。
（3）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一部分。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——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。
惠普的科学家证明：忆阻器具有布尔逻辑运算功能。仅此就足可以让“忆阻器速度”成为奇迹。
（4）忆阻器可能成为晶体管的“接班人”
对忆阻器而言，成为“闪存终结者”并不值得夸耀。一个更大胆的猜想是：忆阻器能否接替晶体管？
对此，科学界保持了固有的谨慎，因为二者的功能不同、尺度不同、特性不同等等。然而，这些并不能成为晶体管无法被取代的理由。事实上，为晶体管寻找接班人，早已被摆上半导体工业的议事日程。
自晶体管1947年问世以来，工业级晶体管已从厘米级、毫米级做到了现在的亚微米级，60年间身形缩小了成千上万倍。一块集成电路上的晶体管数量也从1971年英特尔首款CPU的2300颗暴涨到了如今的超过10亿颗。遗憾的是，晶体管很可能已没法再变得更小。理论物理学家指出，晶体管一旦小到5个硅原子的宽度（约1纳米），电子的运行将不受控制。
为使摩尔定律得以延续，工业界只好通过多核、多层来寻找出路，往小小的电路板上尽可能“塞”进更多的晶体管。但这并非根本之计。科学家已在尝试用碳纳米管和石墨烯替代硅材料，但直到忆阻器问世之前，在器件层面却收获不大。
前段时间，惠普实验室便展示了世界上首个由晶体管和忆阻器“混搭”成的3D芯片，过去需多个晶体管才能完成的工作，现在只需一个忆阻器就能胜任。
对于忆阻器的前景，惠普最为乐观。他们认为，忆阻器未来很有可能代替晶体管，具有动摇整个电子工业硬件行业的潜力。
（5）忆阻器挑战类人电脑
计算机无法代替人脑，但至少可以更像人脑。遗憾的是，基于经典冯 诺依曼理论的计算机体系结构决定了无论它跑得多快，都不可能像人脑的方式那样工作。
在传统冯 诺依曼计算机架构中，信息的存储和处理是分离的，通过总线频繁传输数据。而对人脑来说，从来不需要将信息从任何一个神经元中取出，花费时间处理它，再将它返回给另一个神经元集合。在哺乳动物的脑里，存储和处理发生在同时同地。因此一只小鼠就可以比当前最快的超级计算机更有效率。
有没有可能模仿人类神经突触和神经元的工作方式，制造出更像人类的电脑呢？
忆阻器给出了两个回答。一是，在信息存储之外已展现出实现逻辑运算的功能。二是，其“记忆”特性与人脑突触在生物电信号刺激下的自适应调节极其类似，很可能是目前已知的功能最接近神经元突触的器件。
2010年，美国密歇根大学率先研制出一种模拟大脑突触工作的忆阻器电路，他们还将用数以万计的“忆阻器突触”来构建类神经网络。不久后，IBM宣布，将利用这种突触电路运行其仿真猫脑的算法，将新型超级计算机的研制转移至硬件端，开辟认知型电脑的新时代。
惠普实验室则通过构建忆阻器二维交叉阵列模拟大脑的一个层。最终他们想把阵列扩展到三维空间，模拟真正的人脑突触结构。忆阻器有望发挥重要作用。
最近，德国科学家安迪 托马斯发布了一种忆阻器芯片，可作为人工大脑的关键部件。而在中国，曾研制出“天河”超级计算机的国防科技大学，也已开始密切关注忆阻器的进展并展开研究。
这会引起计算机体系结构的革命吗？也许有人会说，家用电脑和智能手机其实并不需要这么高级的玩意。是的，不过，真正有需要的应用可能正藏在我们所不了解的地方。正如忆阻器曾告诉过我们的那样，这需要想象力。

5.忆阻器的研究进展

作为一种新型的无源电子元件，忆阻器的出现为电子电路行为提供了新的分析方法和新的调制手段及新的功能，且不断取得一些新的进展。现在，科技人员对忆阻器进行了多方面的研究，下面对其最近研究进展的情况简单介绍如下：
（1）模型分析
作为基本电路元件之一，忆阻器在电路模型分析中有着广泛的应用。在忆阻器和忆阻系统的概念提出之前，多种系统已被观察到存在忆阻行为，如阈值开关、电热调节器、神经突触的离子传递系统、放电管等。忆阻器和忆阻系统被提出后，便被用于对上述系统电学行为的模型描述。同时，作为具有独特电路特性的模型，忆阻器和忆阻系统很好地描述了各种器件和模型的电学行为。
（2）基础电路设计
忆阻器的出现不仅丰富了现有的电路元件类型，而且补充了目前的RC、RL、LC、RLC电路设计方案，将其扩展到所有可能由电路的四个基本元件与电压源组成的电路范围。
（3）电路器件设计
忆阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路器件设计方面给人们提供了新的思路。
（4）生物记忆行为仿真
对生物记忆行为的电路仿真，是忆阻器另一个极具吸引力的用途。因为具有与神经系统中神经键行为类似的特点，忆阻器可以用于对大脑部分功能的模仿，由它和晶体管、纳米线等组成的系统将在桥梁道路的实时监控系统得到应用。可以相信，此类结构在对生物记忆、学习行为的电路仿真中将发挥更加重要的作用。
忆阻器和忆阻系统以其特有的电阻记忆特性正在引起越来越多人们的关注，广泛深入的研究推进了实现忆阻行为的模型与机理的不断提出，同时也在探讨着实际应用。虽然这是一项从提出至今仅仅几十年的时间，研究还不够深入，但我们从已取得的成果结论中有理由相信，随着更多忆阻模型与机理的揭示，相关的研究结论必将为忆阻器和忆阻系统带来更加广泛的应用，前景十分乐观。

6. 忆阻器的发展前景

忆阻器的发展道路和晶体管的发展道路有不少类似的地方，现比较如下：
（1）晶体管发展历程
1925年，莱比锡大学物理学家Julius Edga r Lilienfeld针对金属取向附生半导体场效应管，提出首个晶体管专利申请，但没有实际制造出产品。
1928年，Lilienfeld申请了薄膜金属氧化物半导体FET专利，但没有实际制造出产品。
1948年，贝尔实验室物理学家John Bardeen由于制造出实用的点接触FET获得美国专利。
1952年，Sonotone推出首款商用化的晶体管应用——助听器。
1953年，索尼、TI和其它公司展出首批晶体管收音机。
1956年，贝尔实验室物理学家Shockley、Bardeen和WalterBrattain因为开发出全球第一个实用晶体管而共享诺贝尔奖。
此后，晶体管在计算机发展中重要作用就广为人知，这里从简。
（2）忆阻器的发展历程
1971年，加州大学伯克利分校电子工程师蔡少堂发布了“寻获失落的忆阻器”论文，但没有制造出产品。
1976年，蔡少堂发布了“忆阻器件和系统”论文，但最终只是做出了一个模拟器。
1995年，惠普实验室成立了由化学家Stanley Williams领导的“量子结构研究组织”，目的是开发能代替晶体管开关的分子级产品。
2005年，蔡少堂获得了IEEE颁发的Gustav Robert Kirchhoff奖，公认他为非线性电路理论和细胞神经网络之父。
2006年，惠普公司的Stanley Williams为全球首款实用忆阻器申请了美国专利。
2008年，惠普实验室发布了基于半导体中充电掺杂物漂移的忆阻器件的描述，并提出两种应用——非易失阻性随机访问存储器(RRAM)和模仿大脑神经网络的电子神经键。
从上面的对比中，不难看到，尽管早在1971年蔡少棠教授就首次提出忆阻器，由于当时还没有纳米技术，得不到忆阻器的实物，因此搁浅数十年。直到30多年后的2008年，科学家证实第四种无源基本元件——忆阻器的存在，并且成功设计出能工作的忆阻实物模型，才得到科技界的重视。如科学家用非晶钙钛矿氧化物开发出一种纳米级超快忆阻器，为高度稳定可靠的纳米级存储设备的发展提供了一个新的平台，今后有望成为制造人工大脑的关键部件。这种功能性氧化物比人类头发的直径薄1000倍。这种材料在化学上具有“忆阻”效应，存储在其中的数据具有非易失性，且存取速度更快、耗能更少、体积更小。这种忆阻器在电子设备中具有广泛的应用价值，无论是能收缩到纳米尺度的超快存储设备，还是基于计算机逻辑体系架构的生物神经网络存储器。未来这种忆阻器将能够替代目前所广泛使用的闪存、固态硬盘，让电子设备更快、更轻、使用时间更长。虽然目前还有很多的研究需要做，但已经能够肯定的是，新发现为寻找下一代内存技术、复制人类神经系统的复杂功能，进而开发出仿生大脑的研究铺平了道路。
从忆阻器的发展历程和晶体管的发展历程的相似性，不难预见忆阻器今后的发展，值得我们期待。