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【技术点击】忆阻器的想象力
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忆阻器的想象力 |
——第四电路元件将如何改变世界？
7月26日，三家自封为“忆阻器概念股”的新材料企业逆市上涨，成为该日股市的亮点之一。这是在本报报道《忆阻器竞赛，中国准备好了吗》之后的第三日，股民的热情被一个科技新名词激发了。
自2008年以来，忆阻器这一40多年前凭想象力准确预言的电子元件，正从纯理论加速照进现实，人们关心的不再是“能否”，而是“如何”。
想象力的胜利
1971年，年仅35岁的加州大学伯克利分校教授蔡少棠证明：在电阻、电容和电感三种基本无源器件之外，还应存在一种“下落不明的电路元件”，它反映了电荷和磁通量的关系，其阻值会随着电荷流经的方向和数量而变化。他将这种当时并不存在的元件命名为“忆阻器”。
“沉寂”37年之后，惠普实验室发现，他们三年前在实验室制成的某个器件正好符合忆阻特性，足以证实忆阻器的物理存在。《忆阻器找到了！》——这篇同题文章经《自然》杂志报道后，在国际学术界和工业界引起了轰动。
近5年来，关于忆阻器的研发进展如雨后春笋般涌现，并大大超出了人们的预期。
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。
闪存“终结者”
对于忆阻器的应用前景，最保守的看法是替代闪存。
业界普遍担心，这一当前最流行的存储技术将在10年内达到体积缩小的极限。谁将成为“闪存终结者”？各路新型存储技术展开了激烈角逐。
据华中科技大学微电子学系主任缪向水介绍，下一代存储技术都须满足非易失性（即断电后保存数据）、随机存取、低功耗、高速、高可靠性、高容量和高集成度等特征。相变、铁电和磁随机等新型存储技术均各有优劣，而“忆阻器作为新型电子存储器，同时满足上述条件，是下一代存储器的强有力竞争者”。
不仅如此，忆阻器还与当前CMOS制造工艺兼容，这意味着具备更低的改造成本。
惠普公司高层曾宣称将在2013年底前推出商业化产品，虽然产品面世计划被延迟，但相关技术进展已使这一时间越来越近。
过去三年来，惠普为保持领导者地位，已累积注册了约500个忆阻器专利。而英特尔、IBM等巨头也已迅速跟上。而在西南大学教授段书凯看来，忆阻器更具“杀手级应用”潜质的领域是模拟存储。“由于忆阻器可以连续记忆多个阻值，理论上可以制成任意精度，可直接进行模拟存储。”
特别是数字时代来临，忆阻器的出现，为这种更接近人类信息的存储方式的“新生”带来了希望。
“那种认为数字一定击败模拟的看法，已经过时了。”中科院计算所研究员闵应骅表示，“数字讲精确，但很多时候我们并不需要那么精确。过去模拟信号处理的难点恰在于存储，而忆阻器提供了这个可能。”
可以推测，未来可能产生很多个版本的忆阻器：惠普忆阻器、英特尔忆阻器、IBM忆阻器、苹果忆阻器、模拟存储器等。
晶体管“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。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。
仅过了半年，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。
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“Blue Matter”，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了大脑的一个层。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。IBM和惠普的研究均已获得美国国防部高等研究计划局的支持。后者正通过一项名为SyNAPSE的计划，推动神经芯片研发。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。
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