記憶電阻器成為電路世界中第四種基本元件

　　美國惠普公司實驗室研究人員在5月1日出版的英國《自然》雜志上發(fā)表論文宣稱，他們已經(jīng)證實了電路世界中的第四種基本元件———記憶電阻器，簡稱憶阻器（Memristor）的存在，并成功設(shè)計出一個能工作的憶阻器實物模型。這項發(fā)現(xiàn)將有可能用來制造非易失性存儲設(shè)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(lián)系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(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)測成真

　　基礎(chǔ)電子學(xué)教科書列出了三種基本的被動電路元件：電阻器、電容器和電感器。早在1971年，美國加州大學(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。憶阻器實際上就是一個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)，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。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(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。

　　雖然這一預(yù)測提出已近40年，但一直無人能證實這一現(xiàn)象的存在。來自惠普實驗室下屬的信息和量子系統(tǒng)實驗室的4位研究人員，最近證實了憶阻現(xiàn)象在納米尺度的電子系統(tǒng)中確實是天然存在的，他們以《尋獲下落不明的憶阻器》為論文標(biāo)題來呼應(yīng)蔡教授的預(yù)測。在這樣的系統(tǒng)中，固態(tài)電子和離子運輸在一個外加偏置電壓下是耦合在一起的。這一發(fā)現(xiàn)可幫助解釋過去50年來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。蔡教授對這項研究成果感到興奮，稱“從來沒想到”他的理論被擱置37年后還能得到證實。

　　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(shù)———或多少電荷向前或向后經(jīng)過了它。這一簡單想法的被證實，將對計算及計算機科學(xué)產(chǎn)生深遠的影響。

　　有望制成更快更節(jié)能的即開型PC

　　憶阻器最簡單的應(yīng)用就是構(gòu)造新型的非易失性隨機存儲器，或當(dāng)計算機關(guān)閉后不會忘記它們曾經(jīng)所處的能量狀態(tài)的存儲芯片。研究人員稱，今天的動態(tài)隨機存儲器所面臨的最大問題是，當(dāng)你關(guān)閉PC電源時，動態(tài)隨機存儲器就忘記了那里曾有過什么，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盤裝入到動態(tài)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，并且你的PC會回到你關(guān)閉時的相同狀態(tài)。

　　研究人員稱，憶阻器可讓手機在使用數(shù)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(zhàn)目前數(shù)碼設(shè)備中普遍使用的閃存，因為它具有關(guān)閉電源后仍可以保存信息的能力。利用這項新發(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。

　　為開發(fā)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(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，可讓計算機在找出自己保存的數(shù)據(jù)時更加智能。比如，根據(jù)以往搜集到的信息，憶阻器電路可以告訴一臺微波爐對于不同食物的加熱時間。

　　當(dāng)前，許多研究人員正試圖編寫在標(biāo)準(zhǔn)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，他們現(xiàn)在能用一種不同于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(gòu)造某種基于憶阻器的仿真類大腦功能的硬件來實現(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)。這樣的計算機可以做許多種數(shù)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(xué)習(xí)。這樣的硬件可用來改進臉部識別技術(shù)，應(yīng)該比在數(shù)字式計算機上運行程序要快幾千到幾百萬倍。

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

　　如今，美國惠普公司實驗室的斯坦·威廉斯和同事在進行極小型電路實驗時，終于制造出憶阻的實物模型。他們像制作三明治一樣，將一層納米級的二氧化鈦半導(dǎo)體薄膜夾在由鉑制成的兩個金屬薄片之間。這些材料都是標(biāo)準(zhǔn)材料，制作憶阻的竅門是使其組成部分只有5納米大小，也就是說，僅相當(dāng)于人一根頭發(fā)絲的1萬分之一那么細。

　　科學(xué)家指出，只有在納米尺度上，憶阻的工作狀態(tài)才可以被察覺到。他們希望這種新元件能夠給計算機的制造和運行方式帶來革命性變革?？茖W(xué)家說，用憶阻電路制造出的計算機將能“記憶”先前處理的事情，并在斷電后“凍結(jié)”這種“記憶”。這將使計算機可以反復(fù)立即開關(guān)，因為所有組件都不必經(jīng)過“導(dǎo)入”過程就能即刻回復(fù)到最近的結(jié)束狀態(tài)。