忆阻器

忆阻器

忆阻器，全称记忆电阻。最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠，时间是1971 年。2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪·托马斯博士研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。

基本介绍

忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。

用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。

由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的

工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。[1] 2发展过程

提出

蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP 就登场了。

研究

HP 关于忆阻器的发现在2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。技术每个电线间的「开关」大约是3nm x 3nm 大，开关切换的时间小于0.1ns，整体的运作速度已和DRAM差不多，但是开关次数还不如DRAM-- 还不足以取代DRAM，但是靠着1 cm² 100 gigabit（GB），1cm³ 1 petabit（数据存储单位1PB=1000TB）（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。

但是Crossbar Latch 可不止用来储存数据而已。它的网格状设计，和每个交叉点间都有开关，意味着整组网格在某些程度上是可以逻辑化的。在原始的

Crossbar Latch 论文中就已经提到了如何用网格来模拟AND、OR 和NOT 三大逻辑闸，几个网格的组合甚至可以做出加法之类的运算。这为摆脱晶体管进到下一个世代开了一扇窗，很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路将可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。[3]

忆阻器和Crossbar Latch 的组合代表的是电脑科技的全新进展，或许能让我们再一次延续摩尔定律的生命，朝向被机器人统治的未来前进。简单说，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。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。

惠普实验室的研究人员认为RRAM就是Chua所说的忆阻器，其报道的基于TiO2的RRAM器件在2008年5月1日的《自然》期刊上发表。加州大学伯克利分校教授蔡少棠，1971年发表《忆阻器：下落不明的电路元件》论文，提供了忆阻器的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力，即使电力中断亦然。惠普实验室的论文则以《寻获下落不明的忆阻器》为标题，呼应前人的主张。蔡少棠接受电话访问时表示，当年他提出论文后，数十年来不曾继续钻研，所以当惠普实验室人员几个月前和他联系时，他吃了一惊。

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内普遍使用的闪存，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，惠普说或许有天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式（patterns）记忆与关联。

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。

研究人员表示，忆阻器器件的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷数量。蔡教授原先的想法是：忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说，让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———或多少电荷向前或向后经过了它。这一简单想法的被证实，将对计算及计算机科学产生深远的影响。

突破

比勒菲尔德大学托马斯博士及其同事在2012年就制作出了一种具有学习能力的忆阻器。2013年，安迪·托马斯利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上

比勒菲尔德大学研制的忆阻器

安迪·托马斯解释说，因为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电脑——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。”托马斯的文章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电脑如何将自然现象转化为技术系统，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；而且只有当刺激脉冲超过一定的量时，神经元才会做出反应，忆阻器也是如此。

忆阻器能够持续增高或减弱电阻。托马斯解释道：“这也是人工大脑进行学习和遗忘的过程中，忆阻器如何发挥作用的基础。”[4]

3发展前景编辑

实现

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