忆阻器-世上第四种元件

惠普实验室（HP Labs）证实37年前的科学预言，世界上存在第四种基本电路元件

刚刚过去的2008年，在世界科技创新史上留下了新的篇章。在美国《时代》杂志“2008年全球50项最佳发明”、美国《连线》杂志“2008年全球10大科技突破”和中国《科技日报》“2008国际十大科技新闻”评选中，来自惠普实验室（HP Labs）的最新科技发明“忆阻器”均名列前茅，并被国内外科学家评价为“这项重大发现将对电子科学的发展历程产生重大影响”。

忆阻器的发现充满科技传奇色彩。现在的中学物理教科书上，已经列出了三种基本的无源电路元件：电阻器、电容器和电感器。1971年，加州大学伯克利分校华裔科学家蔡少棠发表了题为《忆阻器：下落不明的电路元件》的论文，预测自然界存在第四种电路元件，并称之为忆阻器（memristor）。简单地说，忆阻器是一种有记忆能力的非线性电阻，通过控制电流变化可改变电阻值，即使电流中断记忆也不会消失。如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，这种电阻就可以实现存储数据的功能。
37年过去了，2008年5月1日，由世界著名科学家、惠普公司高级院士、惠普实验室信息与量子系统实验室主任斯坦· 威廉姆斯领导的研究小组，在《自然》杂志以《寻获下落不明的忆阻器》为标题发表论文，不仅首次证实了忆阻器确实存在，而且成功实现了世界首个能工作的忆阻器原型。这个研究成果石破天惊。蔡少棠教授在接受媒体电话访问时表示，当年他提出预测后，数十年来并没有继续钻研，因此当惠普实验室几个月前和他联系时，他自己也大吃一惊。

惠普实验室对忆阻器的研究，可以追溯到三年前斯坦·威廉姆斯所带领的研究小组的另一项重要研究成果“交叉点阵逻辑门”，这是一种在纳米级水平上构建的半导体元件，曾经被中国500多名两院院士评选为“2005年世界十大科技新闻”。当时惠普科学家的目标，是利用纳米技术，以电阻代替三极管作为基本单元，发明一种更高密度的存储器。在对各种材料进行不厌其烦的测试后，惠普实验室的科学家发现其中一项实验结果与蔡少棠教授当年在论文中预测的忆阻器非常相似。于是科学家们对此进行了重点研究，一项划时代的重要发明跃然而出。
忆阻器的发现足以媲美100年前发明的三极管，它的任何一项产业化应用都可能带来新一轮新的产业革命。与现在广泛使用的动态随机存储器（DRAM）和闪存（Flash Memory）相比，忆阻器能量消耗更低。与此同时，材料的忆阻特征，在纳米水平上才有明显表现，这就意味着忆阻器适用于更加密集的电路元件构造，在同样大小的电路尺寸上能存储更多的数据。

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PC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。这个过程有时长达几分钟。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，这种记忆不仅可以是1和0这么简单，而且可以包括从1到0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。斯坦·威廉姆斯将这种学习功能比喻为聪明的微波炉，“随着收集的信息越来越多，忆阻器电路可以告诉微波炉不同食物的加热时间”。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。

尽管忆阻器诞生只有几个月的时间，但已引起多方关注。2008年11月底，加州大学、美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会，惠普实验室展示了忆阻器的最新进展——世界上第一个3D忆阻器混合芯片，过去需要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。这个构建了晶体管和忆阻器的集成混合电路，具有动摇整个电子工业硬件行业的潜力。