电子土拨鼠

【有奖竞猜第六期】
      在评论栏选择一道问题回答，就有机会获得我们送出的20元卓越购物券。请大家仔细阅读竞猜细则后再作答！本期竞猜将在9月21日（中秋节放假前）结束，欢迎大家踊跃参与！

上期问题的答案及获奖者已公布，请见上期博客的评论栏。

注意：关于每期竞猜中的部分问题，答案并不唯一。希望各位朋友们能给出自己的答案，不要完全复制其他网友的答案。竞猜细则中已作更改。

本期竞猜题目：

1. 谈一谈你对小忆同学的印象和未来设想吧
2. 什么是摩尔定律？
3. 列举三种以上计算机存储材料，传统和新型皆可。

竞猜活动将长期举行，希望大家多多支持！踊跃回答问题！

      37年前，任教于美国的柏克莱大学的华裔的科学家蔡少棠，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。

      37年后的今天，业界的各大巨头，已经在新擦亮的摩尔定律火光下，开始了未来存储器市场的抢占...

意外的二氧化硅，让小忆的诞生找到了好人家

      事实上，忆阻之父——当年的惠普并没有在找忆阻器，当时是一个由HP的Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为Crossbar Latch 的技术的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？如何取得这样的材料考倒了HP的工程师，因此他们空有Crossbar Latch 这么棒的想法，却无法实现。谁知道，他们苦苦寻找的东西，正是忆阻器？

      突破来自于另一处。另一个由 Stanley Williams 领军的 HP 团队在研究二氧化硅的时候，意外地发现了二氧化硅在某些情况的电子特性怪怪的。本来怪怪的也就怪怪的，记录下来就算了，但他的同僚 Greg Snider 却提醒了他这或许就是忆阻器，而且或许正是 Crossbar Latch 在寻找的东西。

      二氧化硅当作忆阻器用时是这样的 -- 一块极薄的二氧化钛被夹在两个电极（下图是铂）中间，这块钛又被分成两个部份，一半是正常的二氧化钛，另一半稍微「缺氧」，少了几个氧原子。缺氧的那一半带正电，因此电流通过时电阻比较小，而且当电流从缺氧的一边通向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的「洞」会逐渐往正常的一侧游移，使得以整块材料来言，缺气的部份会占比较高的比重，整体的电阻也就会降低。反正，当电流从正常的一侧流向缺氧的一侧时，电场会把缺氧的洞从回推，电阻就会跟着增加。
 

      所以，因为Crossbar Latch 研究的关系，他第一个了解到了它其实就是忆阻器，于是遥远的忆阻不再是设想，终于可以有了实体！

失落的忆阻器闪亮回归—小忆成长手记

• 1971年，非线性电路理论先驱、美国加利福尼亚大学伯克利分校的华裔科学家蔡少堂从理论上预言，除电容、电感和电阻之外，电子电路还应该存在第四种基本元件——忆阻。但当时还没有纳米技术，他的发现因此被搁浅。
• 2000年，研究人员在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化，并应用到了下一代非挥发性存储器-阻抗存储器(RRAM)中。

                                 Crossbar Latch 的忆电阻试作品结果

• 2007年，惠普公司信息与量子系统实验室的研究人员，在R. Stanley Williams的领导下，成功研制了固态的忆阻器－它是由一片双层的二氧化钛薄膜所形成，当电流通过时，其电阻值就会改变。
• 2008年4月，惠普公司公布了基于TiO2的RRAM器件，世界上第一个忆阻器诞生了。
• 2008年5月1日，惠普在《自然》杂志上发表论文，以《寻获下落不明的忆阻器》为论文标题来呼应蔡教授的预测，宣称电路世界中存在第四种基本元件———记忆电阻器，并成功设计出世界首个能工作的忆阻器原型。这种元件即使在被关闭的情况下仍然具备记忆自身历史的功能。
• 2008年，电路世界存在第四种基本元件这项重大发现被《科技日报》评为2008年国内十大科技新闻之一。
• 2009年，惠普公司证明了 Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。
• 2005年，英特尔公司总裁克瑞格•贝瑞特在英特尔信息技术峰会上曾表示，传统工艺“设想达到的极限”是5纳米，超越这个极限，将遭遇电流泄漏等难题。
• 2010年8月，美国莱斯大学的研究人员在美国化学学会最新出版的《纳米快报》杂志上指出，他们已经成功地制造出了可靠的小型数字开关——忆阻器（memristor），其尺寸远远小于传统制造方法制造出的规模，宽度仅为5纳米，打破了2005年英特尔公司总裁克瑞格•贝瑞特在英特尔信息技术峰会上曾表示的5纳米的传统工艺极限。
• 2010年9月，HP宣布将和Hynix 合作，在 2013 年前让使用忆阻器（Memristor）的记忆装置上市，和闪存一较高下。成为了忆阻器迈向商业化的一个和重要里程碑。
• 在工业界，英飞凌，三星，美光，夏普，Unity，Spansion等公司也早已经开始了RRAM的研究和产品的开发, 预计未来5年讲会陆续有基于RRAM技术的存储器上市。

                               忆阻器发展过程重要记事

如何理解忆阻器？

       蔡教授原先的想法是：忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说，让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数——或多少电荷向前或向后经过了它。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。

      而今天，这一简单想法的证实，将对计算及计算机科学产生深远的影响。

忆阻的物理符号和概念

      在忆阻器中，磁通量（ΦB）受到累积的电荷（q）所影响。磁通量按电荷的改变率称之为“忆阻值”：

      根据法拉第电磁感应定律及复合函数求导法则，可见忆阻器的电压V是与电流I及忆阻值的积有关：

 
      由此可见，忆阻器可以成为一个电阻器。但是“电阻”的M(q)会随累积的电荷而改变。忆阻值可以说是随流经忆阻器的电流历史所改变，和电容器两端的电压很相似。

不太遥远的未来“记忆”

忆阻器半导体混合电路，图中红色部分即为忆阻

      忆阻器跟人脑运作方式颇为类似，惠普说或许有天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式（patterns）记忆与关联。
　　RRAM为制造非易失性存储设备、即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等铺平了道路，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。

• 　　有望制成更快更节能的即开型PC

　　研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后无需充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战目前数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，将比目前的闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。

• 　　为开发模拟式计算机铺平道路

　　忆阻器还能让电脑理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能。比如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉一台微波炉对于不同食物的加热时间。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情———比如做决策，判定一个事物比另一个大，甚至是学习。这样的硬件可用来改进脸部识别技术，应该比在数字式计算机上运行程序要快几千到几百万倍。 

      忆阻的预言道今天产业化的开始，用了37年。或许有一天，当我们正在思考一个预言是否可信或者多久能够实现时，可以代替人脑的新型计算和存储设备已经为我们计算好了。

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