瘾科学：忆阻器

这个礼拜有一则大新闻，是 HP 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。这在业界被认为是一个重要的里程碑，但是忆阻器究竟是什么？它有什么神奇的特性，让它这么受重视？在这篇里小姜试着用最简单的方式，介绍忆阻器这有趣的「新」电子零件给大家，并且探讨为什么它可能是晶体管以来，最重要的电子进展。

什么是忆阻器？

忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、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。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。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。忆阻器有什么用？

忆阻器的理论模型，忆阻器的位置在右下角

在发现的当时...没有。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！

HP 的 Crossbar Latch

Crossbar Latch 的试作品结果

于是这时候 HP 就登场了。事实上 HP 也没有在找忆阻器，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？这种材料必需要能有「开」、「关」两个状态，这两个状态必需要能操纵，更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。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，他们在找的东西，正是忆阻器？

意外的二氧化硅

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（上图是铂）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。

二氧化硅有这样的子的特性 HP 不是第一个发现的，但是却因为 Crossbar Latch 研究的关系，是第一个了解到它其实就是忆阻器，以及它在电脑应用上的重要性的厂商。在实际应用时，对两根电线施加单向的电压就可以控制开关的状态，而读取时则是用交流电来读取电阻值，就可以知道目前该开关的状态。

忆阻器的未来

HP 关于忆阻器的发现在 2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了 Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。目前的技术每个电线间的「开关」大约是 3nm x 3nm 大，开关切换的时间约在 1ns 左右，整体的运作速度约是 DRAM 的 1/10 -- 还不足以取代 DRAM，但是靠着 1 cm2 100 gigabit， 1cm3 1 petabit（别忘了它是可以堆栈的）的惊人潜在容量，干掉闪存是绰绰有余的。

但是 Crossbar Latch 可不止用来储存数据而已。它的网格状设计，和每个交叉点间都有开关，意味着整组网格在某些程度上是可以逻辑化的。在原始的 Crossbar Latch 论文中就已经提到了如何用网格来模拟 AND、OR 和 NOT 三大逻辑闸，几个网格的组合甚至可以做出加法之类的运算。这为摆脱晶体管进到下一个世代开了一扇窗，很多人认为忆阻器电脑相对于晶体管的跃进，和晶体管相对于真空管的跃进是一样大的。另一方面，也有人在讨论电路自已实时调整自已的状态来符合运算需求的可能性。这点，再搭配上忆阻器的记忆能力，代表着运算电路和记忆电路将可同时共存，而且随需要调整。这已经完全超出了这一代电脑的设计逻辑，可以朝这条路发展下去的话，或许代表着新一代的智慧机器人的诞生。

不过这些都是未来的事了。HP 的目标订的还算含蓄，只答应在 2013 年时，生产出与当世代的 Flash 同等价格，但两倍容量的忆阻器记忆装置。对大部份人来说，这个转变会是相当低调的 -- 就像芯片制程已经一步步地降到了 24nm，但是对一般人来说，CPU 或是内存、随身碟一直都长那个样子，没有在变。只是在里面，忆阻器和 Crossbar Latch 的组合代表的是电脑科技的全新进展，或许能让我们再一次延续摩尔定律的生命，朝向被机器人统治的未来前进。

说了半天到底有啥用……

运算电路和记忆电路将可同时共存，那不是程序模式都要改了

我看到一根筷子挑着一排面条......

可以理解为闪存的技术升级版，

文章里有些小错误,应该是TiO2 但是标题和内文有的地方错成SiO2了....

我第一个想到的未来就是超廉价,超大规模的FPGA的时代到来了.....所有为特定目的设计的数字集成电路都要进博物馆了.

纯引用

VDHL和C混合编程.......oh~yeah~

想象下,以后编程,先开DMA把浮点单元和储存算法传输到内存区,随后把整个需要运算的数组写到地址A,随后在地址B直接读出来所有的结果,什么SIMD之类的技术瞬间被轰杀成渣啊....

没提到功耗，也许不乐观吧。

会海啸吗

这玩意当时搞得满头条都是，那口气真是不得了。。。
还是观望吧，到底是不是个大忽悠得等实用了再说。

刚刚wiki了一下，NB啊……

“HP 关于忆阻器的发现在 2008 年时发表于「自然」期刊，2009 年证明了 Cross Latch 的系统很容易就能堆栈，形成立体的内存。目前的技术每个电线间的「开关」大约是 3nm x 3nm 大，开关切换的时间约在 1ns 左右，整体的运作速度约是 DRAM 的 1/10”
3通道内存读取速度也就20GB/S不到，换成float就几G而已，
http://we.pcinlife.com/viewthread.php?tid=1332222
麻烦大家测一下CPU的GFlops
。。。。
I7 920超4G： 52.6
。。。。
更何况现在的高端显卡都是TFlops级别的了，
做宣传总是说得天上有地下无的，这东西的性价比能淘汰闪存就功德无量了，

能脑插管吗

你又不用这个当ram，你把他当可以超高速重新配置的fpga用啊。这个修改速度已经神了.至于吞吐速度，那完全取决于时钟和带宽，看你怎么设计了。估计还和读取用的交流信号的特性有关吧

最爱看科学家的回帖了

关键是这个东西能够立体堆叠，实现超大存储密度，这点已经战翻很多东西了

电子这方面纯属一个修电脑的好人的业余爱好，所以要是喷错了千万别见怪。。。。兔子脸红偷瞄你

好像很厉害的样子，，，科学家们能说的具体点吗- -？

为啥我觉得你的回复很民科！

参见最后一句

[本帖最后由 变色龙 于 2010-9-3 19:18 编辑]

突然发现,你怎么把内存吞吐速率换算成浮点运算速度的.......
按照忆阻器的构造,你可以不受限制的把它改写成并行浮点运算单元吧,带宽更不是问题,想要多少flop都是没问题的

艹，第一反应是ssd危险了 ，这玩意可以直接读/写，不用擦除
如果ssd不趁这几年攻占市场，以后说不定就被这东西代替了

吹来吹去就是一个当闪存的料

固态硬盘要降价了？

IBM的Racetrack吹了快10年都没出来~

哪有那么容易飞跃的~

@anakin mark

基本上就是处理器就是内存的模式

惠普在忆阻器设计上再次取得重大突破
科技部门户网站www.most.gov.cn2010年04月13日 来源：科技日报

美国惠普公司科学家4月8日在《自然》杂志上撰文表示，他们在忆阻器（memristor）设计上取得重大突破，发现忆阻器可进行布尔逻辑运算，用于数据处理和存储应用。科学家认为，公众将在3年内看到忆阻器电路，其或许可取代目前似乎已经处于“穷途末路”的硅晶体管，最终改变整个电脑行业。

目前，最先进的晶体管的大小为30纳米到40纳米，比一个生物病毒还小（一个生物病毒约为100纳米），惠普纳米技术研究实验室的资深专家斯坦·威廉姆斯表示，惠普现正着手研究3纳米级的忆阻器，开、关的时间只需要十亿分之一秒。

他表示，3年内，该公司生产的基于忆阻器的闪存，1平方厘米将可以存储20G字节，这项技术有望成为低功耗计算机以及存储系统发展的里程碑。

忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻器，1971年由美国加州大学伯克利分校的电子工程师蔡少棠教授首次提出，但当时还没有纳米技术，他的发现因此被搁浅。

直到2008年5月，惠普科学家在《自然》杂志撰文指出，他们终于成功研制出世界首个忆阻器。通过向其施加方向、大小不同的电压，可以改变其阻值。如果利用其不同阻值代表数字信号，在半导体电路中实现数据存储也大有前途。

忆阻器不同于电容器、电感器和电阻器这3种基本电路元件的地方是，忆阻器在关掉电源后，仍能记忆通过的电荷。这意味着，如果突然停机，然后重新启动，用户关机之前打开的所有应用程序和文件仍在屏幕上。目前，这种用途还不能被任何电阻器、电容器和电感器的电路组合所复制，因此，有业内专家认为，忆阻器是电子工程领域第4种基本电路元件。

研究人员去年在《美国国家科学院院刊》上撰文指出，他们设计出了一种新方法，可以从三维忆阻器阵列中存储和恢复数据。新方案可让设计人员以类似搭建摩天大楼的方式堆叠成千上万个忆阻器，创造出逼近极限的超致密计算设备。

威廉姆斯称，2008年到现在，其团队一直在提升忆阻器的开关速度，研究人员在实验室中测试证明，它们能够可靠地进行成千上万次读写。

此外，忆阻器也不同于IBM、英特尔等公司研发的新型存储芯片相变存储器（PCM），PCM利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。惠普公司表示，PCM的开关速度比较慢，可能需要更多的能量。

忆阻器如何以与人脑相同的方式来学习同样的技术
2010/4/23/10:1来源：工业控制


我们一般把人脑的位细胞叫做突触(synapses)，美国密西根大学研究人员指出，忆阻器(memristor)的功能特性是所有的电子组件中与突触最相近的;他们最近展示单一忆阻器如何以与人脑相同的方式来学习同样的技术。

人类的神经网络的学习模式，能达到像是特殊算法那样、对工程师来说都很难的程度，主要是依赖一种称为突触的模拟内存元素;该元素目前正被科学家用做今日超级计算机中的一种数值来进行模拟。

学习行为的发生，是由于来自人体各感官的功能探测器──像是眼睛内的边缘传感器，就会产生一种同步电压突波。当同步突波发生时，负责接收的大脑突触会透过提高其数值(也就是一种超级计算机仿真中使用的数字)来响应，而忆阻器则是以改变其电阻值的方式来响应。

该研究团队领导人、密西根大学教授WeiLu表示，忆阻器是以几乎与大脑突触相同的「STDP(spiketimingdependentplasticity)」模式，来响应同步电压脉冲，因此使其能够成为超级计算机仿真的替代方案。由惠普实验室研究人员所发表的大规模忆阻器纵横闩网络，可望建立一个比超级计算机更精确、快速的人脑功能仿真。

去年，美国国防部高等研究计划局(Darpa)指派三个分别由HP、IBM与HRLLabs所率领的研究团队，在其SyNAPSE计划下，去研究出一种开发人脑学习要素的最佳方法;而研究成果将在明年发表原型。

HP已经在上述计划下，研究采用忆阻器来做为突触，其成果将在今年稍晚发表。IBM去年也宣布，已成功利用精确的超级计算机仿真猫脑;该获奖的超级计算机算法名为“BlueMatter”最终将转到硬件端，利用诸如密西根大学所研发的电子突触来运行。

“猫脑的模拟是一个较现实可行的目标，因为其功能比人脑要简单许多;但要仿制其复杂性与效益，仍然是非常困难的工作。”Lu表示;其研究团队的目标是制作出某一天能在性能上媲美超级计算机的忆阻器设备，但机器的外型尺寸仅有两公升的汽水宝特瓶那么大。

忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器(RRAM)，今天的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭PC电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，所以下次打开计算机电源，你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器。有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，并且你的PC会回到你关闭时的相同状态。

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。当前，许多研究人员正试图编写在标准机器上运行的计算机代码，以此来模拟大脑功能，他们使用大量有巨大处理能力的机器，但也仅能模拟大脑很小的部分。研究人员称，他们现在能用一种不同于写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，即依靠构造某种基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件来实现。其基本原理是，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之中的几乎所有状态。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。

芯片加工厂乃们都蚕豆了没？赶快把流水线统统都换掉。

现有市场是HP一家能搞掉的？
就算好，想想当初交流电的普及遇到多大阻力

山寨机的春天.....

拿来做存储只是利用这东西的掉电也能维持状态这种特性而已，关键是这东西是模拟，这点有点恐怖
举个列子，不知道有没有记错……
比如算A+B=？
现在的计算机先得把A、B两个数字转成2进制存储，然后再把数字一个一个的放进cpu中进行二进制加法运算
如果A、B的值超过了cpu可以直接运算的位数，比如CPU只有8位的话（11111111=255），cpu还需要先拆分在通过多次计算才能得出最终结果
但是如果像忆阻器这种模拟的元件，一开始通过代表A量的电流，然后再通过代表B量的电流，最后读出这个忆阻器的当前状态，结果就算出来了
就好象LS科学家说的，往某个地址写两次，就可以直接读出结果，算都不用算！我日……
而且整个运算只用到了一个忆阻器就可以完成了，如果上亿的忆阻器组成集成电路，这运算能力，何止是秒杀现在的二进制计算机
太恐怖了&……

第三张图是油条吗

这话的含义就是...没有个20 30 年 等ibm 的出来的话 都是没有飞跃的..

有没有飞跃等实用了在否定

有点期盼并不是坏事..

我想到了算盘。。。。orz

这话没什么含义...

就是表达我不信罢了...

太超前的概念我会选择不信...

我宁可做一只被历史车轮无情碾压过去的幸福螳螂...

绿漆刷山才是高科技

就是名字不太好。。其它的都是电开头的。。。半导体也是一次通电就能完成一次与非操作的呀。就是位数不可能无限多。

可以这么说吧，国内不是老是宣传现代计算机的原理最早就是源于中国的算盘吗，虽然有点扯，但是确实也说明两者的原理是类似的
其实可以这样考虑……
cpu里头每个晶体管相当于算盘中的一串，但是这串上只有一颗珠子，只能拨上或者拨下，表示2种状态，大于2就就必须要进位表示……
cpu的频率就是人的手，用高频振荡的电流去高速的按照规则拨动珠子然后算出结果……
同样原理，亿阻器也可以作为算盘中的一串，但是这串却有无数的珠子，因为它是模拟的，可以有n种状态！
所以你可以想象一下他的运算效率会是只有一颗珠子的算盘多少倍！

@小KULA mark

模拟的东西又复杂，又有噪声干扰，根本就不适合做电子器件
计算机的世界还是0，1最高

这东西普及还得10年至少

这YY的都没边儿了
其实科研就是画饼，画的饼越大越好看，才能忽悠到科研经费

这和量子计算机的原理相比如何呢？