作者:成舸 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-31 6:56:35
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忆阻器的想象力 第四电路元件将如何改变世界
 
■本报记者 成舸
 
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。 (中科院微电子所博士后闫小兵对本文亦有贡献)
 
《中国科学报》 (2013-07-31 第7版 制造)
 
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