憶阻器的想像力 第四電路元件將如何改變世界

7月26日，三家自封為「憶阻器概念股」的新材料企業逆市上漲，成為該日股市的亮點之一。

這是在本報報導《憶阻器競賽，中國準備好了嗎》之後的第三日，股民的熱情被一個科技新名詞激發了。

自2008年以來，憶阻器這一40多年前憑想像力準確預言的電子元件，正從純理論加速照進現實，人們關心的不再是「能否」，而是「如何」。

想像力的勝利

1971年，年僅35歲的加州大學伯克利分校教授蔡少棠證明：在電阻、電容和電感三種基本無源器件之外，還應存在一種「下落不明的電路元件」，它反映了電荷和磁通量的關係，其阻值會隨著電荷流經的方向和數量而變化。

他將這種當時並不存在的元件命名為「憶阻器」。

「沉寂」37年之後，惠普實驗室發現，他們三年前在實驗室製成的某個器件正好符合憶阻特性，足以證實憶阻器的物理存在。

《憶阻器找到了！》——這篇同題文章經《自然》雜誌報導後，在國際學術界和工業界引起了轟動。

近5年來，關於憶阻器的研發進展如雨後春筍般湧現，並大大超出了人們的預期。

惠普的科學家證明：憶阻器具有布爾邏輯運算功能。

僅此就足可以讓「憶阻器速度」成為奇蹟。

快閃記憶體「終結者」

對於憶阻器的應用前景，最保守的看法是替代快閃記憶體。

業界普遍擔心，這一當前最流行的存儲技術將在10年內達到體積縮小的極限。

誰將成為「快閃記憶體終結者」？各路新型存儲技術展開了激烈角逐。

據華中科技大學微電子學系主任繆向水介紹，下一代存儲技術都須滿足非易失性（即斷電後保存數據）、隨機存取、低功耗、高速、高可靠性、高容量和高集成度等特徵。

相變、鐵電和磁隨機等新型存儲技術均各有優劣，而「憶阻器作為新型電子存儲器，同時滿足上述條件，是下一代存儲器的強有力競爭者」。

不僅如此，憶阻器還與當前CMOS製造工藝兼容，這意味著具備更低的改造成本。

惠普公司高層曾宣稱將在2013年底前推出商業化產品，雖然產品面世計劃被延遲，但相關技術進展已使這一時間越來越近。

過去三年來，惠普為保持領導者地位，已累積註冊了約500個憶阻器專利。

而英特爾、IBM等巨頭也已迅速跟上。

而在西南大學教授段書凱看來，憶阻器更具「殺手級應用」潛質的領域是模擬存儲。

「由於憶阻器可以連續記憶多個阻值，理論上可以製成任意精度，可直接進行模擬存儲。

」

特別是數字時代來臨，憶阻器的出現，為這種更接近人類信息的存儲方式的「新生」帶來了希望。

「那種認為數字一定擊敗模擬的看法，已經過時了。

」中科院計算所研究員閔應驊表示，「數字講精確，但很多時候我們並不需要那麼精確。

過去模擬信號處理的難點恰在於存儲，而憶阻器提供了這個可能。

」

可以推測，未來可能產生很多個版本的憶阻器：惠普憶阻器、英特爾憶阻器、IBM憶阻器、蘋果憶阻器、模擬存儲器等。

電晶體「接班人」？

對憶阻器而言，成為「快閃記憶體終結者」並不值得誇耀。

一個更大膽的猜想是：憶阻器能否接替電晶體？

對此，科學界保持了固有的謹慎。

二者的功能不同、尺度不同、特性不同等等。

然而，這些並不能成為電晶體無法被取代的理由。

事實上，為電晶體尋找接班人，早已被擺上半導體工業的議事日程。

自電晶體1947年問世以來，工業級電晶體已從厘米級、毫米級做到了現在的亞微米級，60年間身形縮小了成千上萬倍。

一塊集成電路上的電晶體數量也從1971年英特爾首款CPU的2300顆暴漲到了如今的超過10億顆。

遺憾的是，電晶體很可能已沒法再變得更小。

理論物理學家指出，電晶體一旦小到5個矽原子的寬度（約1納米），電子的運行將不受控制。

為使摩爾定律得以延續，工業界只好通過多核、多層來尋找出路，往小小的電路板上儘可能「塞」進更多的電晶體。

但這並非根本之計。

科學家已在嘗試用碳納米管和石墨烯替代矽材料，但直到憶阻器問世之前，在器件層面卻收穫不大。

僅過了半年，惠普實驗室便展示了世界上首個由電晶體和憶阻器「混搭」成的3D晶片，過去需多個電晶體才能完成的工作，現在只需一個憶阻器就能勝任。

對於憶阻器的前景，惠普最為樂觀。

他們認為，憶阻器未來很有可能代替電晶體，具有動搖整個電子工業硬體行業的潛力。

挑戰類人電腦

計算機無法代替人腦，但至少可以更像人腦。

遺憾的是，基於經典馮·諾依曼理論的計算機體系結構決定了無論它跑得多快，都不可能像人腦的方式那樣工作。

在傳統計算機架構中，信息的存儲和處理是分離的，通過總線頻繁傳輸數據。

而對人腦來說，從來不需要將信息從任何一個神經元中取出，花費時間處理它，再將它返回給另一個神經元集合。

在哺乳動物的腦里，存儲和處理髮生在同時同地。

因此一隻小鼠就可以比當前最快的超級計算機更有效率。

有沒有可能模仿人類神經突觸和神經元的工作方式，製造出更像人類的電腦呢？

憶阻器給出了兩個回答。

一是，在信息存儲之外已展現出實現邏輯運算的功能。

二是，其「記憶」特性與人腦突觸在生物電信號刺激下的自適應調節極其類似，很可能是目前已知的功能最接近神經元突觸的器件。

2010年，美國密西根大學率先研製出一種模擬大腦突觸工作的憶阻器電路，他們還將用數以萬計的「憶阻器突觸」來構建類神經網絡。

不久後，IBM宣布，將利用這種突觸電路運行其仿真貓腦的算法「Blue Matter」，將新型超級計算機的研製轉移至硬體端，開闢認知型電腦的新時代。

惠普實驗室則通過構建憶阻器二維交叉陣列模擬了大腦的一個層。

最終他們想把陣列擴展到三維空間，模擬真正的人腦突觸結構。

IBM和惠普的研究均已獲得美國國防部高等研究計劃局的支持。

後者正通過一項名為SyNAPSE的計劃，推動神經晶片研發。

憶阻器有望發揮重要作用。

最近，德國科學家安迪·托馬斯發布了一種憶阻器晶片，可作為人工大腦的關鍵部件。

而在中國，曾研製出「天河」超級計算機的國防科技大學，也已開始密切關注憶阻器的進展並展開研究。

這會引起計算機體系結構的革命嗎？也許有人會說，家用電腦和智慧型手機其實並不需要這麼高級的玩意。

是的，不過，真正有需要的應用可能正藏在我們所不了解的地方。

正如憶阻器曾告訴過我們的那樣，這需要想像力。

（中科院微電子所博士後閆小兵對本文亦有貢獻）