記憶電阻器成為電路世界中第四種基本元件

　　美國(guó)惠普公司實(shí)驗(yàn)室研究人員在5月1日出版的英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表論文宣稱，他們已經(jīng)證實(shí)了電路世界中的第四種基本元件———記憶電阻器，簡(jiǎn)稱憶阻器（Memristor）的存在，并成功設(shè)計(jì)出一個(gè)能工作的憶阻器實(shí)物模型。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將有可能用來(lái)制造非易失性存儲(chǔ)設(shè)備、即開(kāi)型PC、更高能效的計(jì)算機(jī)和類似人類大腦方式處理與聯(lián)系信息的模擬式計(jì)算機(jī)等鋪平了道路，未來(lái)甚至可能會(huì)通過(guò)大大提高晶體管所能達(dá)到的功能密度，對(duì)電子科學(xué)的發(fā)展歷程產(chǎn)生重大影響。

　　華裔科學(xué)家37年前理論預(yù)測(cè)成真

　　基礎(chǔ)電子學(xué)教科書(shū)列出了三種基本的被動(dòng)電路元件：電阻器、電容器和電感器。早在1971年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的華裔科學(xué)家蔡少棠教授就從理論上預(yù)言了憶阻器的存在。憶阻器實(shí)際上就是一個(gè)有記憶功能的非線性電阻器。蔡少棠發(fā)表的論文《憶阻器：下落不明的電路元件》提供了憶阻器的原始理論架構(gòu)，推測(cè)電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。簡(jiǎn)單說(shuō)，憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。通過(guò)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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。

　　雖然這一預(yù)測(cè)提出已近40年，但一直無(wú)人能證實(shí)這一現(xiàn)象的存在。來(lái)自惠普實(shí)驗(yàn)室下屬的信息和量子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的4位研究人員，最近證實(shí)了憶阻現(xiàn)象在納米尺度的電子系統(tǒng)中確實(shí)是天然存在的，他們以《尋獲下落不明的憶阻器》為論文標(biāo)題來(lái)呼應(yīng)蔡教授的預(yù)測(cè)。在這樣的系統(tǒng)中，固態(tài)電子和離子運(yùn)輸在一個(gè)外加偏置電壓下是耦合在一起的。這一發(fā)現(xiàn)可幫助解釋過(guò)去50年來(lái)在電子裝置中所觀察到的明顯異常的回滯電流—電壓行為的很多例子。蔡教授對(duì)這項(xiàng)研究成果感到興奮，稱“從來(lái)沒(méi)想到”他的理論被擱置37年后還能得到證實(shí)。

　　研究人員表示，憶阻器器件的最有趣特征是它可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量。蔡教授原先的想法是：憶阻器的電阻取決于多少電荷經(jīng)過(guò)了這個(gè)器件。也就是說(shuō)，讓電荷以一個(gè)方向流過(guò)，電阻會(huì)增加；如果讓電荷以反向流動(dòng)，電阻就會(huì)減小。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種器件在任一時(shí)刻的電阻是時(shí)間的函數(shù)———或多少電荷向前或向后經(jīng)過(guò)了它。這一簡(jiǎn)單想法的被證實(shí)，將對(duì)計(jì)算及計(jì)算機(jī)科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　有望制成更快更節(jié)能的即開(kāi)型PC

　　憶阻器最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是構(gòu)造新型的非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器，或當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)閉后不會(huì)忘記它們?cè)?jīng)所處的能量狀態(tài)的存儲(chǔ)芯片。研究人員稱，今天的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器所面臨的最大問(wèn)題是，當(dāng)你關(guān)閉PC電源時(shí)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器就忘記了那里曾有過(guò)什么，所以下次打開(kāi)計(jì)算機(jī)電源，你就必須坐在那兒等到所有需要運(yùn)行計(jì)算機(jī)的東西都從硬盤(pán)裝入到動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。有了非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器，那個(gè)過(guò)程將是瞬間的，并且你的PC會(huì)回到你關(guān)閉時(shí)的相同狀態(tài)。

　　研究人員稱，憶阻器可讓手機(jī)在使用數(shù)周或更久時(shí)間后無(wú)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(zhàn)目前數(shù)碼設(shè)備中普遍使用的閃存，因?yàn)樗哂嘘P(guān)閉電源后仍可以保存信息的能力。利用這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)制成的芯片，將比目前的閃存更快地保存信息，消耗更少的電力，占用更少的空間。

　　為開(kāi)發(fā)模擬式計(jì)算機(jī)鋪平道路

　　憶阻器還能讓電腦理解以往搜集數(shù)據(jù)的方式，這類似于人類大腦搜集、理解一系列事情的模式，可讓計(jì)算機(jī)在找出自己保存的數(shù)據(jù)時(shí)更加智能。比如，根據(jù)以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴一臺(tái)微波爐對(duì)于不同食物的加熱時(shí)間。

　　當(dāng)前，許多研究人員正試圖編寫(xiě)在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)代碼，以此來(lái)模擬大腦功能，他們使用大量有巨大處理能力的機(jī)器，但也僅能模擬大腦很小的部分。研究人員稱，他們現(xiàn)在能用一種不同于寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序的方式來(lái)模擬大腦或模擬大腦的某種功能，即依靠構(gòu)造某種基于憶阻器的仿真類大腦功能的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(tài)。這樣的計(jì)算機(jī)可以做許多種數(shù)字式計(jì)算機(jī)不太擅長(zhǎng)的事情———比如做決策，判定一個(gè)事物比另一個(gè)大，甚至是學(xué)習(xí)。這樣的硬件可用來(lái)改進(jìn)臉部識(shí)別技術(shù)，應(yīng)該比在數(shù)字式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序要快幾千到幾百萬(wàn)倍。

　　研究人員表示，事實(shí)上，現(xiàn)在就可以用任何工廠來(lái)做這些東西，但是投資憶阻器電路設(shè)計(jì)要比建造工廠昂貴得多，而且，目前還沒(méi)有憶阻器的模型，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出必要的工具，并為憶阻器找到合適的應(yīng)用。憶阻器需要多久才能應(yīng)用于實(shí)際的商業(yè)器件，相對(duì)于技術(shù)問(wèn)題而言，可能更多的是個(gè)商業(yè)決策問(wèn)題。研究人員預(yù)測(cè)，這種技術(shù)產(chǎn)品5年后才可能投入商業(yè)應(yīng)用。

　　如今，美國(guó)惠普公司實(shí)驗(yàn)室的斯坦·威廉斯和同事在進(jìn)行極小型電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，終于制造出憶阻的實(shí)物模型。他們像制作三明治一樣，將一層納米級(jí)的二氧化鈦半導(dǎo)體薄膜夾在由鉑制成的兩個(gè)金屬薄片之間。這些材料都是標(biāo)準(zhǔn)材料，制作憶阻的竅門(mén)是使其組成部分只有5納米大小，也就是說(shuō)，僅相當(dāng)于人一根頭發(fā)絲的1萬(wàn)分之一那么細(xì)。

　　科學(xué)家指出，只有在納米尺度上，憶阻的工作狀態(tài)才可以被察覺(jué)到。他們希望這種新元件能夠給計(jì)算機(jī)的制造和運(yùn)行方式帶來(lái)革命性變革?？茖W(xué)家說(shuō)，用憶阻電路制造出的計(jì)算機(jī)將能“記憶”先前處理的事情，并在斷電后“凍結(jié)”這種“記憶”。這將使計(jì)算機(jī)可以反復(fù)立即開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗薪M件都不必經(jīng)過(guò)“導(dǎo)入”過(guò)程就能即刻回復(fù)到最近的結(jié)束狀態(tài)。