忆阻器与计算机(141222)

闵应骅

   三年多以前，本人在从微电子到纳电子（110227）一文中谈到了忆阻器，以后还有几篇也谈到它。最近，王小平博主在他转载的[转载]The Machine：惠普要重新发明计算机一文中也提到惠普要用忆阻器完成原来由RAM和硬盘/闪存承担的存储任务。可据我所知，有人申请忆阻器的基金项目，几年都被拒，不知道其他渠道有无安排。无独有偶，本月的IEEE Spectrum又发表一个新闻“Six-StateMemristor Opens Door to Weird Computing”，说基于忆阻器的新装置可以建造类脑系统和10进制计算机。可见这个方向还是应该研究的。今介绍如下。

   6年前发明了第一个忆阻器，它的前景是一种高密度的非易失性存储器，一种通用的逻辑门，10进制存储器，甚至类脑计算机。晶体管存储器只有两个状态，而忆阻器可以存储更多的状态。剑桥大学三一学院的研究人员制作了一个可以记录6个状态的存储器，他们说建10个状态没有问题。和闪存与动态RAM一样，忆阻器存储器（RRAM）以电阻存储。该装置用改变内部电阻记住刚才流过的电流。当电流反向流动时，电阻就减少。

   三一的忆阻器有点不同。不像其他的忆阻器，它有点像二极管：电阻的变化只由一个方向的电流控制。该二极管效应来自于称为电成型的后期处理。该装置在两个金属电极之间包含一根二氧化钛半导体纳米丝。制造忆阻器的时候，迁延照射到10伏就在和阴极接口附近增加载荷子，创造一个二极管结。如下图所示，这根二氧化钛半导体纳米丝既是二极管，又是忆阻器。

   除单向导电之外，亿阻器存储数位信息也不同。一般的忆阻器需要不同的电压，以存储两个不同的阻值，譬如用5V得到一个阻值，而用10V存储另一个阻值。三一学院研究的装置用7.5V让阻值提高一步，再用一个7.5V脉冲又可以再提高一步。用6个这样的脉冲才使装备进入饱和状态，阻值不再改变。在任意阻值停住，状态不改变，直到下一个脉冲来到。也可以用-7.5V脉冲使之复原。由于该忆阻器是二极管，不需要电流就可复原。

   该存储效应机制可以用电极接口上的纳米线的物理状态来解释。当你给一个触点正电压就产生了一批氧空穴，你从线的晶格移出氧，这就使电子更容易移入金属。-7.5V脉冲从金电极注入电子到纳米线，消灭接口中的氧空穴，使纳米线减少传导。

   阻值的级别数是灵活的，可以达到10，决定于级别之间分辨率的极限。每个存储单元有10个不同状态，存储密度就会大大增加。譬如最大的无符号64位整数是18,446,744,073,709,551,615，用10进制只要20位就够了。但是，10进制存储器的接口要比2进制复杂得多。电子工程师需要用全新的基础设备来处理这类存储器。

   这个事情意义重大，但是困难也很大。纽约州立大学有教授认为，即使不用在10进制计算机上，这种多状态忆阻器在基于神经网络的非传统的仿生逻辑（bioinspired logic）系统中也会非常有用。

这样一个前瞻性的研究课题，看样子是应该搞的。但是，同一个问题可以有两种方法申请：一种是研究忆阻器；一种是研究十进制计算机。我猜想，研究忆阻器可能不被批准；而申请十进制计算机却可能被批准。因为，忆阻器不过是个器件，不起眼，不太符合主流。而十进制计算机看似很伟大的设想，很动人，评审反而可能容易通过。其实，即使做成了亿阻器，离十进制计算机还远去了，不是一个课题就可以做成的。我国学术界比较喜欢长远目标，话说得越大越好，常常是其实难副。这是与整个学术界的气氛有关系的。应该多些实际，少些空谈，科技才能脚踏实地往前进。